RGO/Cu复合材料的PAS烧结制备及其性能研究

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石墨烯/铜复合材料由于具有基体铜的良好导电性、导热性和易加工成型性和添加相石墨烯极高的导电性、导热性和机械强度的特点,因而在机械、电子和能源等行业有着广泛的应用前景。然而,目前石墨烯/铜复合材料的制备主要存在两个难点,即石墨烯的分散问题和石墨烯与基体铜的润湿性问题。针对以上难点,本文首先采用化学和氢气还原方法制备Cu均匀负载于石墨烯(RGO)片层上的Cu@RGO复合粉体,然后采用等离子活化烧结技术制备RGO/Cu复合材料,并详细研究了RGO/Cu复合材料的制备工艺、结构和性能。首先,制备出氧化石墨烯(GO)溶液和纳米SnO2晶粒负载于RGO上的RGO/SnO2溶液,并对它们进行表征。表征结果表明,氧化石墨烯的片层较薄,能稳定分散于水溶液中,RGO/SnO2溶液中的纳米SnO2晶粒(2-3nm)均匀地负载于RGO片层上。利用RGO/SnO2溶液制备出Cu@RGO复合粉体,其中,还原剂Vc、NaBH4、Vc+NaBH4和CuCl2浓度对Cu@RGO复合粉体的形貌影响明显不同。结果表明,采用Vc+NaBH4作为组合还原剂,当Vc溶液浓度为0.15mol/L,NaBH4溶液浓度为0.01mol/L和CuCl2溶液浓度为0.004mol/L时,可以制备出纳米Cu颗粒均匀地负载于片层RGO上的复合粉体,其中Cu的粒径约为5nm。在通H2的条件下,Cu@RGO复合粉体中被氧化的Cu2O被还原Cu,获得的Cu@RGO复合粉体中的Cu颗粒均匀地负载于RGO上,部分Cu颗粒有长大。其次,利用等离子活化烧结技术(PAS烧结技术)实现了Cu@RGO粉体与纯铜粉的混合粉体的烧结致密化,制备出致密的RGO/Cu复合材料。烧结工艺参数(烧结温度、烧结压力和保温时间)对RGO/Cu复合材料的致密度有明显的影响,获得了致密的RGO/Cu复合材料的最佳烧结工艺,为900℃-40MPa-10min,在此烧结条件下,RGO/Cu复合材料的致密度可达98.6%;随着Cu@RGO粉体添加量的增大,RGO/Cu复合材料的致密度有所下降。其结构表征表明,RGO在铜基体中分散均匀,并且与铜基体结合紧密。最后,RGO/Cu复合材料的性能测试结果表明,随着Cu@RGO粉体添加量的增加,RGO/Cu复合材料的电导率和热导率略有下降,当添加5wt.%的Cu@RGO复合粉体时,电导率从纯铜的57.5MS/m下降到55.2MS/m,热导率从400.39w.m-1.k-1下降到370.54w.m-1.k-1;但它的压缩屈服强度得到提高,从257.52MPa提高到288.81MPa。材料性能的变化与它的微观结构有关。
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