层压石墨烯增强CuCr基复合材料的优异机械性能和导电性

《Journal of Alloys and Compounds》：Exceptional mechanical properties and electrical conductivity of laminated graphene-reinforced CuCr matrix composites

本研究提出一种协同制造方法，结合片状粉末冶金、Spark等离子体烧结、冷压缩和低温退火工艺，系统研究制备参数对RGO/CuCr复合材料微观结构和力学性能的影响，阐明异质结构设计与力学性能的关联机制，最终获得屈服强度663MPa、抗拉强度728MPa的优化性能。该工艺为高性能石墨烯金属复合材料的工业化生产提供了可行路径。

　　

齐赵|刘子杰|翁杰|魏毅伟|方晓翔|吴晓飞|谭志龙|卢少平|徐耀平|吴海军|刘一春

昆明中铂新材料科技有限公司，中国昆明

摘要

为了提高石墨烯及其衍生物增强铜基复合材料的机械性能，本研究提出了一种协同制造方法。该方法结合了片状粉末冶金、火花等离子烧结（SPS）、冷压和低温退火技术。通过对制备参数的影响进行了全面系统的研究，以探讨还原氧化石墨烯（RGO）增强铜铬基复合材料（RGO/CuCr）的微观结构和机械性能。明确了RGO/CuCr复合材料的微观结构与机械性能之间的相关性。RGO/CuCr复合材料的微观结构特征是层状石墨烯的高度均匀分布。结果表明，冷压变形会导致RGO在垂直变形方向上的定向排列趋势。同时，细化铜铬基体的晶粒结构最终提高了RGO/CuCr复合材料的机械性能。实验和理论计算均表明，载荷传递强化与位错强化是提高RGO/CuCr复合材料强度的主要机制。经过50%的冷压变形后，在300°C下退火1小时，复合材料的机械性能达到最佳状态。屈服强度（YS）约为663 MPa，抗拉强度（UTS）约为728 MPa。因此，这种合成制造方法在高性能石墨烯/金属复合材料的工业应用中展现出显著的可扩展性。

引言

航空航天、电气和电子以及新兴军事技术的快速发展，对具有优异强度、韧性、耐极端环境能力以及集成结构和功能的材料需求不断增加[1]。行业的严格要求使得传统金属和合金无法满足这些需求。金属基复合材料（MMCs）在保持传统金属和合金的优异机械强度、电导率和热性能的同时，通过引入增强相而具备独特的性能特性[2]、[3]、[4]。在MMCs中合理设计和整合多种材料可以有效利用互补优势，实现协同增强。由于研究的不断进步，石墨烯的优异机械性能和功能特性受到了广泛关注[5]、[6]、[7]。此外，即使在较低的质量分数下，石墨烯在增强材料方面也表现出更强的效果。近年来，石墨烯研究领域取得了快速进展，主要是因为其作为复合材料的填料具有巨大潜力[8]、[9]、[10]。

由于石墨烯团聚和界面粘结强度不足等问题，石墨烯/金属复合材料的实际性能远低于理论预测[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。研究人员进行了大量探索性研究，以改进石墨烯/金属复合材料的制备工艺，以解决这些问题。已经建立了一套基于粉末冶金方法的综合合成工艺体系，并辅以原位合成[2]、化学气相沉积[17]、溶液混合[18]、化学镀层[19]和分子级混合[20]等技术，以优化石墨烯/金属复合材料的微观结构和性能。虽然传统制备方法旨在实现石墨烯在金属基体中的均匀分布，但最新研究表明，通过设计异质的空间结构可以提升性能[21]、[22]、[23]、[24]、[25]。通过调控增强相在金属基体中的空间排列，可以实现微观非均匀配置设计，从而获得比均匀分布结构更好的机械和功能性能。

最近，石墨烯的异质空间结构主要包括网络状和层状分布。实现这些空间配置主要需要精确控制制备过程，从而改变石墨烯在金属基体中的分布模式。与制备网络状分布的石墨烯相比，通过热轧、冷轧和热挤压等工艺更容易获得层状分布配置。Wang等人利用粉末冶金和热轧技术制备了层状石墨烯/Cu复合材料[26]。结果表明，经过500℃热轧处理的石墨烯/Cu复合材料的抗拉强度（UTS）和延伸率显著提高。Geng等人通过等离子辅助球磨（PABM）制备了有序的多层石墨烯（DMGr）/Cu复合材料，这种纳米层状设计策略有效缓解了纳米晶粒金属中强度与塑性之间的矛盾[27]。Li等人利用真空热压和片状冶金方法成功制备了Graphene（GR）/Cu-11.9Al-2.5Mn复合材料的仿生层状结构，确保了石墨烯在铜基体中的定向分布，显著提高了材料的机械和阻尼性能[14]。文献表明，层状CMCs（石墨烯和金属基体分层堆叠）表现出优异的机械、电学和热性能。

尽管近期研究探索了层状分布的石墨烯/Cu复合材料以提升机械性能，但在石墨烯/Cu复合材料中实现优异的机械强度和高电导率之间的平衡仍是一个重大挑战。在本研究中，我们采用片状粉末冶金和冷锻技术来调控石墨烯在铜基体上的空间配置，从而探讨石墨烯空间排列对复合材料微观结构和界面结构的影响。本研究系统地研究了RGO含量和冷锻参数对RGO/CuCr复合材料机械性能和电导率的影响。通过对表征结果的全面分析，证明了石墨烯异质空间结构和界面结构强度的增强对RGO/CuCr复合材料优异强度和韧性的重要贡献。本研究为开发高性能石墨烯增强MMCs提供了理论和实践指导。

部分内容

原材料和化学试剂

商业铜铬粉末来自中国尧白金属材料有限公司，如图S1（支持信息?（SI?）所示。原始石墨烯纳米片（GNPs）购自南京XFNANO材料科技有限公司，片径为5-10 μm，厚度为4-30 nm。其他化学试剂由Aladdin Reagent Co.（中国）提供，均为分析级试剂。

RGO/CuCr复合材料的制备

层状RGO/CuCr复合材料的制备是通过以下方法实现的

RGO/CuCr复合材料的微观结构演变

图2展示了RGO/CuCr复合材料的微观结构。2.0体积%的RGO通过球磨工艺（图1a-b）机械结合到铜铬粉末表面，其他石墨烯含量的RGO/CuCr粉末的形态如图S4所示。通过溶液球磨法制备的片状铜铬粉末与RGO的形状兼容性较高，有利于GO在表面的吸附和锚定

微观结构演变与变形/热处理过程的相关性

RGO/CuCr复合材料的机械性能受到冷压变形后RGO的结构完整性、分散状态和界面粘结强度的显著影响。根据TEM形态图像（图5），冷压变形后的RGO/CuCr复合材料中出现了大量的位错和胞状亚结构。在变形过程中，位错分布的不均匀性逐渐增加

结论

总之，通过结合片状粉末冶金、火花等离子烧结、冷压和低温退火技术，成功制备了层状结构的RGO/CuCr复合材料。详细研究了RGO/CuCr复合材料的微观结构、机械性能、电导率和增强特性的演变，主要发现如下：

• (1)
  通过该工艺路线制备的RGO/CuCr复合材料表现出优异的

作者贡献声明

翁杰：撰写 – 审稿与编辑。魏毅伟：撰写 – 审稿与编辑。方晓翔：撰写 – 审稿与编辑。吴晓飞：方法学研究。吴海军：监督、方法学指导。刘一春：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法学指导。齐赵：撰写 – 初稿撰写、监督、方法学指导、实验设计、概念化。刘子杰：撰写 – 审稿与编辑。谭志龙：方法学研究。卢少平：方法学指导。徐耀平：概念化设计。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究得到了云南省贵金属实验室（YPML-20240502088）的科学技术项目、云南省科研项目（编号202401AS070135、202403AA080016）以及国家自然科学基金（编号52471158）的财政支持。