石墨烯增強銅基復合材料的阻燃技術

張 偉，王利國，王樂韜，張 濤

（棗莊職業(yè)學院 山東 棗莊 277800）

0 引言

銅基制件的導電能力較強，且能有效地抵抗電力腐蝕[1]，因此其在某些特定的工作環(huán)境仍能進行有效工作。為了避免高壓輸電燒毀，降低火災發(fā)生的概率，可以使用石墨烯復合材料進行有效阻燃[2]。常規(guī)的石墨烯復合材料阻燃技術主要將銅合金和碳纖維進行燒結處理，得到復合阻燃材料，因此，其制備的復合阻燃材料性能不穩(wěn)定，容易引發(fā)團聚效應，降低熱釋放速率，不符合目前的阻燃需求[3]，因此，需要設計一種全新的石墨烯增強銅基復合材料阻燃技術。

石墨烯導電能力較強，研究表明，石墨烯組成材料具有能帶結構[4]，常溫條件下，可以有效地與銅基結合，形成復合阻燃材料。研究表明[5]，常規(guī)的石墨烯增強銅基復合材料在球磨混合后可能出現斷裂帶，影響復合材料的綜合阻燃性能，導致其熱釋放速率（P H R R）過高，阻燃時間較短，為解決該問題，本文結合石墨烯與銅基材料的綜合特性，設計全新的石墨烯增強銅基阻燃技術。

1 石墨烯增強銅基阻燃技術設計

1.1 制備石墨烯增強銅基阻燃材料

結合各個材料的阻燃特性[6]，本文選取甲烷作為碳源，使用純度較高的氫氣進行還原，降低石墨烯增強銅基阻燃材料中的雜質百分比。除碳源材料外，本文選取的其他主要材料如表1所示。

表1 石墨烯增強銅基制備原材料

結合上述選取的原材料可以選擇合適的制備儀器[7]，本文選取JA5003電子天平、amartlab9k衍射儀、DK7735機床、UTM5456試驗機、XD-1400S燒結爐、HS-1258氣相沉積爐、InVia Renishaw等儀器作為制備儀器。

本文將石墨烯增強銅基阻燃材料分為三個不同的制備部分，第一步是將石墨烯材料沉積，受石墨烯的能量釋放作用影響，其容易在銅基體表面生成薄膜，本文設計的技術根據該原理進行石墨烯沉積，如圖1所示。

圖1 石墨烯沉積

由圖1可知，石墨烯沉積過程符合碳原子遷移原則，隨著氣體流量變化，CVD的生長過程也會發(fā)生相應的改變?？梢詫⑹┏练e劃分成幾個不同的階段：

升溫階段：使用烘干機進行烘干，并將處理好的泡沫銅裁剪到相應的尺寸，進行真空處理，通入氬氣，反復清洗，將內部的氬氣排除[8]，從而有效地去除石墨烯中的雜質，提高石墨烯沉積純度；還原階段：需要保證原有氣體流量不變，進行沉積銅還原，使銅基體更光滑；生長階段：不斷控制生長條件，使用甲烷進行還原，測試沉積溫度；降溫階段：快速關閉甲烷閥門，進行自然冷卻，得到石墨烯沉積泡沫銅。石墨烯沉積泡沫銅制備完畢后需要添加還原材料，進行壓制燒結，再利用超聲振蕩法填滿孔縫，從而完成石墨烯增強銅基阻燃材料制備。為驗證制備的有效性，需要針對其進行性能測試。首先需要計算復合材料密度P，如下（1）所示。

公式（1）中，M代表復合材料在空氣中的質量，m代表復合材料在水中的質量，P水代表水的密度，結合上述計算出的密度可以進一步計算復合材料的電導率ACS%，如下（2）所示。

公式（2）中，μ代表復合材料電阻率，μCu代表銅的電阻率，此時可以計算復合材料的熱導率K，如下（3）所示。

公式（3）中，D代表熱擴散率，CP代表比熱，為提高復合材料的阻燃性能，本文設計的技術使用激光脈沖法計算熱擴散率，如下（4）所示。

公式（5）中，PRC代表試樣比熱，Rm代表樣品質量，RTΔ、TΔ均代表溫度變化，上述參數驗證完畢后，還需要進行力學拉伸檢驗，其強度計算公式σ如下（6）所示。

公式（6）中，F代表載荷，S0代表壓痕尺寸，經過上述檢驗發(fā)現，制備的石墨烯增強銅基復合材料的性能良好，但其具有一定的團聚性，可能會影響實際阻燃效果，因此，本文后續(xù)對其進行分散化處理。

1.2 基于化學氣相沉積降低復合阻燃材料團聚性

為提高石墨烯增強銅基復合材料的阻燃面積，需要使用化學氣相沉積法對其進行分散化處理，降低阻燃材料的團聚性。當制備的石墨烯增強銅基復合材料的溫度發(fā)生改變時，其團聚效果出現較高的差異，本文根據其溫度變化原則生成了SEM、EDS分布圖，如圖2所示。

圖2 SEM、EDS分布圖

由圖2可知，隨著石墨烯增強銅基復合材料的溫度變化，其銅基體的平整度也在不斷地發(fā)生改變，因此，可以根據該變化原理分析樣本中的碳原子裂解關系，確定銅基底的熱膨脹系數。

為進一步提高復合阻燃材料的性能，本文使用氣相沉積法獲取樣本的拉曼光譜表征，可以針對團聚后的立體石墨烯結構進行沉積表征處理，將泡沫銅骨架完全包裹住，降低石墨烯結構的破壞程度。經過處理后，為檢驗處理效果，需要利用金屬熒光效應進行拉曼覆蓋測試。僅使用上述的方法對阻燃材料進行團聚性處理可能會出現處理遺漏問題，針對該問題，本文結合SEM圖進行沉積遷移處理，若處理后基體附近未產生微氣泡證明此時基體的團聚性較低，反之則證明基體的團聚性過高，需要重新進行分散化處理。

1.3 設置石墨烯增強銅基復合材料阻燃條件

復合材料的導電性能往往與其電阻相關，因此隨著傳輸損耗增加，其利用率越來越低，本文結合電子遷移作用計算了復合材料的電阻率P表達式，如下（7）所示。

公式（7）中，m代表電子質量，v代表平均速度，N代表電子數量，E代表電荷量，l代表自由程，隨著電阻率的增加，復合材料的缺陷逐漸增加，因此，保證合理的電阻率范圍是復合材料的重要阻燃條件。

復合材料的導熱性能也決定其實際阻燃效果，本文設計的技術根據電子導熱原則繪制熱導率變化示意圖，如圖3所示。

圖3 熱導率變化示意圖

由圖3可知，隨著界面缺陷的增加，其電子熱導率越來越低。一旦制備的石墨烯增強銅基復合材料出現局部缺陷，導致阻燃失效，熱損失過高，因此熱導率也是影響復合材料性能的重要阻燃條件。

為了避免復合材料沉積損傷，本文設計的阻燃技術使用非線性熱振動法不斷地進行電子運動熱傳導。經過多次分析發(fā)現，復合材料內部的增強體與其熱導率存在一定的關系，因此本文設計阻燃條件分析模型Cλ，如下（8）所示。

公式（8）中，mλ代表復合材料熱導率，A代表相關參數，B代表沉積參數，iV代表體積分數，φ代表復合形態(tài)參考值，使用上述公式可以有效地判斷復合材料的晶體組成狀態(tài)，確定其綜合阻燃條件，避免其出現熱導率負增長問題。

2 實驗

為了驗證設計的石墨烯增強銅基阻燃技術的阻燃效果，本文選取有效的實驗儀器，將其與常規(guī)的石墨烯增強銅基復合材料阻燃技術進行對比實驗。

2.1 實驗準備

首先根據阻燃需求選擇干燥箱、LOI測定儀、垂直燃燒儀、熱釋放分析儀等作為實驗儀器。為了提高實驗效果，本文選擇易燃性較高的EP基體作為實驗基體。EP基體是一種常見的黏合材料，附著力較高，但其十分易燃，因此，本文使用兩種不同的阻燃技術針對EP基體進行阻燃實驗。

首先使用MZF-GO稱量EP基體，配置阻燃樣本，其次將配置完畢的EP基體放置在抽濾瓶中，進行水浴加熱，此時需要始終保證樣本在60°的恒溫環(huán)境中。為了保證樣本均勻受熱需要不斷對樣本進行攪拌，并添加阻燃劑和固化劑，待樣本全部分散后取出抽濾瓶，再將抽濾瓶中的樣本放置在模具中不斷進行燃燒。

上述處理完畢后需要將樣本放置在真空環(huán)境中，進行脫氣處理，并反復進行樣本固化，得到符合實驗需求的實驗樣條，這些實驗樣條的規(guī)格及其LOI等級指標參數如表2所示。

表2 實驗樣條規(guī)格及LOI參數

由表2，此時的實驗樣條及其LOI參數符合實驗需求，為了提高實驗的有效性，本文按照GB2406標準確定復合材料表征，分析其錐形量，在樣本瓶中均勻地添加APP-MZF-GO，使其黏性增加，此時的EP易燃傳導特性最高，可以繪制實驗樣條的時間-熱力傳導曲線圖，如圖4所示。

圖4 時間-熱力傳導曲線圖

由圖4知，隨著時間的增加，試驗樣條的熱力傳導值越來越高，阻燃效果越來越差，符合錐形量熱的實驗需求，可以根據試驗樣條的阻燃變化關系進行后續(xù)的阻燃效果實驗。

2.2 實驗結果與討論

結合上述的實驗準備，可以進行石墨烯增強銅基復合材料阻燃實驗，即分別使用本文設計的石墨烯增強銅基阻燃技術和常規(guī)的石墨烯增強銅基阻燃技術制備EP易燃基底防護膜，并使用熱釋放分析儀分析兩種技術在不同燃燒時間下的熱釋放速率（PHRR）實驗結果如表3所示。

表3 實驗結果

由表3知，隨著燃燒時間增加，兩種技術的熱釋放速率（PHRR）均得到不同程度的增長，但本文設計的石墨烯增強銅基阻燃技術的增長速度較慢，整體熱釋放速率較低，而常規(guī)的石墨烯增強銅基阻燃技術隨時間增長其熱釋放速率的增長速度較高，整體熱釋放速率較高。證明本文設計的石墨烯增強銅基阻燃技術的阻燃效果較好，具有可靠性，有一定的應用價值。

3 結語

綜上所述，本文設計一種新的石墨烯增強銅基復合材料阻燃技術。實驗結果表明，設計的阻燃技術的熱釋放速率隨燃燒時間的增長速度較緩慢，整體熱釋放速率較低，證明設計的阻燃技術的阻燃效果較好，具有可靠性，有一定的應用價值，可以作為后續(xù)消防處理的參考。