氧化石墨烯/銅基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能

洪起虎，燕紹九，楊　程，張曉艷，戴圣龍

(北京航空材料研究院 石墨烯及應(yīng)用研究中心，北京 100095)

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氧化石墨烯/銅基復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能

洪起虎，燕紹九，楊程，張曉艷，戴圣龍

(北京航空材料研究院 石墨烯及應(yīng)用研究中心，北京 100095)

采用球磨和真空熱壓燒結(jié)方法成功制備氧化石墨烯/銅復(fù)合材料。利用OM,SEM,XRD,顯微硬度計(jì)和電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)等分析球磨后的復(fù)合粉形貌，研究氧化石墨烯添加量對(duì)復(fù)合微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明：制備的氧化石墨烯/銅基復(fù)合材料組織致密，氧化石墨烯以片狀形態(tài)較均勻地分布在銅基體中，并與銅基體形成良好的結(jié)合界面。氧化石墨烯質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%時(shí)，復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能較好，顯微硬度和室溫壓縮強(qiáng)度分別為63HV和276MPa，相對(duì)于純銅基體分別提高了8.6%和28%。其強(qiáng)化機(jī)理為剪切應(yīng)力轉(zhuǎn)移強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。

氧化石墨烯/銅基復(fù)合材料；真空熱壓燒結(jié)；微觀結(jié)構(gòu)；力學(xué)性能

銅基復(fù)合材料因良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱和加工性能使其在航空航天、電子和汽車(chē)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景[1]。碳納米管(CNTs)因其具有強(qiáng)度和韌性高、導(dǎo)電性好等優(yōu)良性能成為銅基復(fù)合材料的主要增強(qiáng)體之一[2,3]。學(xué)者們采用電化學(xué)沉積(CVD)[4]、電火花燒結(jié)(SPS)[5-7]、微波燒結(jié)[8]、熱壓燒結(jié)[9]和分子水平混合法[10-12]等方法已經(jīng)成功制備碳納米管/銅(CNTs/Cu)復(fù)合材料。Daoushb 等[4]采用CVD方法制備的15%(體積分?jǐn)?shù)，下同)CNTs/Cu復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度達(dá)341MPa，約為純銅的2.85倍；Kim等[5]采用電火花燒結(jié)+冷拔工藝制備的10%CNTs/Cu復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提高至281MPa，約為純銅的1.6倍；Rajkumar等[8]采用微波燒結(jié)方法制備的15%CNTs/Cu復(fù)合材料的顯微硬度相對(duì)于純銅提高了22%；Uddin等[9]采用熱壓燒結(jié)法制備的0.1%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) CNTs/Cu復(fù)合材料的顯微硬度相對(duì)于純銅提高了47%。然而，以碳納米管作為增強(qiáng)相制備銅基復(fù)合材料存在一定的局限性。由于碳納米管容易形成簇狀團(tuán)聚，并且與基體的結(jié)合性能較差[13]，CNTs/Cu復(fù)合材料的力學(xué)性能難以獲得更大突破[14]。雖然Kim等[5]制備的CNTs/Cu復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度提高至281MPa，但其采用的電火花燒結(jié)+軋制的制備工藝復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)精確控制。

石墨烯是sp2雜化的碳原子形成的單原子層厚度、排列成二維蜂窩狀的晶體，具有較大的比表面積以及優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和力學(xué)性能。石墨烯自2004年發(fā)現(xiàn)以來(lái)[15]，以其優(yōu)異的性能引起了廣大學(xué)者的關(guān)注。相比碳納米管，石墨烯的性能更加優(yōu)異[16]。目前，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者采用石墨烯代替碳納米管制備出石墨烯/銅基(GNs/Cu)復(fù)合材料。Pavithra 等[17]采用電沉積法制備石墨烯增強(qiáng)Cu 基復(fù)合材料薄片，其硬度和彈性模量分別達(dá)2.5GPa和137GPa。Li等[18]采用電火花燒結(jié)方法制備了含有0.8%(體積分?jǐn)?shù))的Ni-GPL的Cu基復(fù)合材料，極限抗拉強(qiáng)度提高了42%。Varol等[19]采用粉末冶金方法制備了不同石墨烯含量的銅基復(fù)合材料, 發(fā)現(xiàn)添加0.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)石墨烯時(shí)導(dǎo)電率最高，為78.5% IACS。

本工作采用乙醇溶液分散和球磨兩步法，將不同含量氧化石墨烯與銅粉混合，采用冷壓、真空熱壓燒結(jié)制備GO/Cu復(fù)合材料。采用光學(xué)顯微鏡和Phenom proX型電子顯微鏡分析球磨后的復(fù)合粉形貌、復(fù)合材料的形貌及成分等；利用D8ADVANCE型X射線衍射儀對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行物相分析；在WDW-200D型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行室溫壓縮實(shí)驗(yàn)，壓縮速率為0.1mm/min；采用HV-1000型顯微硬度計(jì)測(cè)量復(fù)合材料的硬度。同時(shí)研究氧化石墨烯的添加對(duì)銅基復(fù)合材料顯微組織和力學(xué)性能的影響，并對(duì)其增強(qiáng)機(jī)理進(jìn)行討論。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1GO/Cu復(fù)合粉的制備

圖1為電解銅粉和氧化石墨烯原料的SEM照片。可以看出，電解銅粉呈樹(shù)枝晶狀，粒徑大約為10μm(圖1(a))。氧化石墨烯呈半透明狀，說(shuō)明厚度非常薄，徑向尺寸則在微米級(jí)。將氧化石墨烯分散到無(wú)水乙醇中，超聲振蕩1h得到氧化石墨烯溶液，然后將銅粉末加入氧化石墨烯溶液，并封裝在球磨罐中球磨5h，轉(zhuǎn)速為360r/min，磨球材質(zhì)為淬火不銹鋼，球料比為10∶1。將球磨后的漿料倒入燒杯，移入80℃水浴鍋中，在機(jī)械攪拌下干燥處理漿料至半干狀態(tài)后，轉(zhuǎn)移到真空烘箱中進(jìn)行充分干燥處理，得到GO/Cu混合粉末。

圖1　電解銅粉(a)和氧化石墨烯原料(b)的SEM照片F(xiàn)ig.1　The SEM pictures of electrolytic copper powder (a) and graphene oxide(b)

1.2GO/Cu復(fù)合材料的制備

經(jīng)機(jī)械球磨混合的GO/Cu粉末，采用熱壓燒結(jié)方式制備GO/Cu復(fù)合材料。制備過(guò)程主要分為兩個(gè)步驟：首先，將不同GO含量的GO/Cu復(fù)合粉裝填入模具中，在室溫下采用10MPa的壓力將粉體預(yù)壓實(shí)，并保壓10min。采用石墨模具，內(nèi)徑35cm，外徑50cm。其次，將預(yù)壓實(shí)的復(fù)合粉在800℃，22MPa壓力下進(jìn)行燒結(jié)，保壓時(shí)間為1h，升溫速率10℃/min。熱壓燒結(jié)設(shè)備為ZRYS-2000型真空熱壓燒結(jié)爐，真空壓強(qiáng)為2×10-2Pa。燒結(jié)結(jié)束后復(fù)合材料隨爐冷卻，制備得到不同氧化石墨烯含量的銅基復(fù)合材料。

2　結(jié)果與分析

2.1GO/Cu復(fù)合粉體觀察

圖2為氧化石墨烯含量為0.5%的復(fù)合粉的SEM圖及EDS分析。由圖2可以看出，經(jīng)球磨后復(fù)合粉中的銅顆粒由樹(shù)枝晶狀轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑺罱Y(jié)構(gòu)。銅顆粒塑性較高，在球磨過(guò)程中因鋼球的撞擊形成片狀顆粒，且在冷焊的作用下，結(jié)合形成尺寸較大的片狀銅基體，如圖2(a)所示。由于氧化石墨烯含量較低，氧化石墨烯納米片黏附在銅基體上，其伸展效果較好。相比于CNTs/Cu復(fù)合粉球磨后碳納米管形成簇狀團(tuán)聚[12]以及GRs/Cu復(fù)合粉球磨后石墨烯團(tuán)聚分布于基體表面[19]，本工作制備的GO/Cu復(fù)合粉球磨效果較好，氧化石墨烯較均勻地黏附于片狀銅顆粒表面。

圖2　0.5%GO復(fù)合粉末的SEM形貌　(a)低倍；(b)高倍Fig.2　The SEM pictures of 0.5%GO mixture powder　(a)low magnification;(b)high magnification

2.2GO/Cu復(fù)合材料微觀組織觀察及結(jié)構(gòu)分析

圖3為采用熱壓燒結(jié)方法制備的純銅及GO/Cu復(fù)合材料的宏觀形貌。可以看出，純銅及GO/Cu復(fù)合材料試樣外觀較完整，表面較光亮，表明熱壓燒結(jié)過(guò)程中冶金反應(yīng)較充分。采用阿基米德排水法，測(cè)得試樣密度分別為8.68g/cm3(Cu),8.70g/cm3(0.5%GO)和8.66 g/cm3(1.0%GO)，其相對(duì)致密度均高于97%。Varol等[19]采用粉末冶金法制備的GNPs/Cu復(fù)合材料的密度最大值為8.46g/cm3。魏炳偉[26]采用真空熱壓燒結(jié)制備的1.0%GNs/Cu復(fù)合材料的相對(duì)密度只有86.64%。本工作制備的氧化石墨烯/銅復(fù)合材料相對(duì)密度明顯高于文獻(xiàn)[19,26]報(bào)道的石墨烯/銅復(fù)合材料相對(duì)密度。

圖3　熱壓燒結(jié)后純銅和復(fù)合材料宏觀照片　(a)純銅；(b)0.5%GO；(c)1.0%GOFig.3　Macrostructure of pure copper and composites with different GO contents after hot press sintering(a)pure copper;(b)0.5%GO;(c)1.0%GO

熱壓燒結(jié)后不同氧化石墨烯含量的銅基復(fù)合材料金相組織照片如圖4所示。可以看出，氧化石墨烯的添加可以細(xì)化組織。由圖4(a)可以看出，采用熱壓燒結(jié)方法制備的純銅試樣晶粒比較細(xì)小，但是局部晶粒比較粗大(如圖4(a)箭頭所示)。當(dāng)加入0.5%的氧化石墨烯后，試樣的晶粒大小也不均勻，但值得一提的是組織變得更加細(xì)小，如圖4(b)所示。隨著氧化石墨烯的含量增加到1.0%(圖4(c))，復(fù)合材料的晶粒尺寸進(jìn)一步減小，但其組織中存在黑色的區(qū)域，這可能是氧化石墨烯的團(tuán)聚造成的。圖5 為0.5%GO/Cu復(fù)合材料的Cu和C元素的面分布照片，可以看到C元素均勻地分布在基體中。

燕紹九等[27]和李多生等[28]分別采用熱等靜壓與熱壓燒結(jié)的方法制備了石墨烯/鋁復(fù)合材料，經(jīng)SEM/EDS分析發(fā)現(xiàn)，石墨烯與鋁基體的結(jié)合界面較好，石墨烯以片狀形態(tài)分布在鋁基體中。為了進(jìn)一步研究氧化石墨烯在銅基體中的存在和分布，對(duì)0.5%和1.0%GO復(fù)合材料進(jìn)行SEM/EDS分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6(a),(b)可以看出，在晶界處有較清晰的片狀物存在，其與基體的界面結(jié)合較好，可能為加入的增強(qiáng)體氧化石墨烯片。由該片狀物所屬區(qū)域的EDS線掃描分析可知，在晶界處碳元素衍射峰較高，而銅元素的衍射峰較低，證明該片狀物即為添加的氧化石墨烯，這與文獻(xiàn)[29]報(bào)道的結(jié)果相同，也表明即使經(jīng)受球磨、熱壓等較大的外加載荷，氧化石墨烯沒(méi)有被破壞，依然以片狀形態(tài)分布在銅晶粒的晶界處，這正是GO/Cu復(fù)合材料組織細(xì)化的原因。一般來(lái)說(shuō)，在燒結(jié)后期及隨爐冷卻過(guò)程中，復(fù)合材料的晶粒主要通過(guò)晶界遷移的方式長(zhǎng)大。與第二相顆粒分布在晶界處產(chǎn)生的釘扎作用類(lèi)似，片狀氧化石墨烯分布在晶界處，也能有效地減弱晶界遷移速率，從而抑制晶粒的長(zhǎng)大。由于氧化石墨烯納米片具有超大的比表面積，其產(chǎn)生的細(xì)化晶粒效果會(huì)高于第二相顆粒。Liu等[29]研究GNSs/TiC復(fù)合材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，添加1.0%(體積分?jǐn)?shù))的石墨烯片可以完全抑制復(fù)合材料的晶粒長(zhǎng)大。在EDS圖譜中還出現(xiàn)了氧元素衍射峰，這是由于氧化石墨烯中含氧官能團(tuán)發(fā)生分解，或者在制備過(guò)程中混入了少量的空氣造成的[28]。

圖4　熱壓燒結(jié)后純銅和復(fù)合材料的金相組織照片　(a)純銅；(b)0.5%GO；(c)1.0%GOFig.4　OM images of pure copper and composites with different GO contents after hot press sintering(a)pure copper;(b)0.5%GO;(c)1.0%GO

圖5　熱壓燒結(jié)制備的0.5%GO復(fù)合材料的SEM照片(a)及選區(qū)Cu(b),C(c)的EDS譜Fig.5　SEM image (a) and EDS spectra of selective district copper distribution (b) and carbon distribution (c) of 0.5%GO composites

圖6　GO/Cu復(fù)合材料SEM圖及箭頭所指區(qū)域的線掃描結(jié)果　(a)0.5%GO;(b)1.0%GOFig.6　SEM images and EDS spectra of GO/Cu composites　(a)0.5%GO;(b)1.0%GO

2.3純銅及GO/Cu復(fù)合材料的力學(xué)性能

圖7是純銅及GO/Cu復(fù)合材料的顯微硬度?？梢钥闯觯S著氧化石墨烯含量的增加，復(fù)合材料的顯微硬度逐漸增加。熱壓燒結(jié)制備的純銅試樣顯微硬度為58HV左右；當(dāng)氧化石墨烯添加量為0.5 %時(shí)，復(fù)合材料的顯微硬度升高至63HV，相對(duì)于純銅試樣提高了8.6%；隨著氧化石墨烯含量增加至1.0%，復(fù)合材料顯微硬度升高至72HV，相對(duì)于純銅試樣提高了24.5%。純銅和GO/Cu復(fù)合材料的室溫壓縮曲線及其壓縮強(qiáng)度變化如圖8所示。從圖8可以看出，相比于純銅，氧化石墨烯的添加顯著提高了復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度；但隨著氧化石墨烯含量的增加，復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。0.5%GO/Cu復(fù)合材料的壓縮強(qiáng)度(276MPa)比純銅的壓縮強(qiáng)度(215MPa)增加了28%，當(dāng)氧化石墨烯含量達(dá)到1.0%時(shí)，復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

圖7　純銅及GO/Cu復(fù)合材料的顯微硬度Fig.7　Vickers hardness of pure copper and GO/Cu composites

對(duì)于石墨烯/銅基復(fù)合材料，存在3種增強(qiáng)機(jī)理：剪切應(yīng)力轉(zhuǎn)移強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化[1,30,31]。一般認(rèn)為石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的強(qiáng)化效果很大程度上取決于能否在金屬基體和增強(qiáng)體的界面上實(shí)現(xiàn)有效的應(yīng)力轉(zhuǎn)移，其引起的強(qiáng)化程度ΔσLT可以用式(1)表示：

ΔσLT=pfvσm

(1)

式中：p為增強(qiáng)體的縱橫比；fv為增強(qiáng)體的體積分?jǐn)?shù)；σm為增強(qiáng)體的強(qiáng)度。由于石墨烯具有表面積大、厚度非常小的特點(diǎn)，故其p值很大，這有利于外力從銅基體轉(zhuǎn)移到石墨烯片。同時(shí)，石墨烯的強(qiáng)度高達(dá)130GPa，因此即使復(fù)合材料中添加很少量的石墨烯，也能起到較可觀的增強(qiáng)效果。

銅在室溫下的熱膨脹系數(shù)為24×10-6K-1，而石墨烯在室溫下的熱膨脹系數(shù)為-6×10-6K-1，兩者之間存在巨大的差異。這種差異會(huì)使即將發(fā)生移動(dòng)的位錯(cuò)界面產(chǎn)生晶格畸變，從而在石墨烯附近形成一個(gè)具有高位錯(cuò)密度的區(qū)域，起到強(qiáng)化的作用。該種機(jī)制引起的強(qiáng)化作用ΔσCET可用式(2)進(jìn)行估算：

(2)

式中：α為常數(shù)；G和b分別為基體的剪切模量和柏氏矢量；ΔT為溫度變化；ΔC為增強(qiáng)體與基體之間的線膨脹系數(shù)之差；dp為增強(qiáng)體的平均尺寸。在石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料中，由于基體銅與增強(qiáng)體石墨烯之間的線膨脹系數(shù)之差較大，即ΔC值較大，因此增強(qiáng)效果較好。

圖8　純銅和GO/Cu復(fù)合材料的室溫壓縮曲線(a)與壓縮強(qiáng)度(b)Fig.8　Compression curves (a) and compression strength (b) of pure copper and GO/Cu composites

由Hall-Petch公式可知，隨著晶粒尺寸的減小，材料的強(qiáng)度將得到提高。通過(guò)對(duì)圖4分析發(fā)現(xiàn)，氧化石墨烯的添加可以細(xì)化組織，從而起到細(xì)晶強(qiáng)化的作用；因此，氧化石墨烯增強(qiáng)銅基體是由剪切應(yīng)力轉(zhuǎn)移強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化共同作用產(chǎn)生的。但是，隨著含量的增加，石墨烯容易產(chǎn)生團(tuán)聚，反而使得復(fù)合材料的力學(xué)性能有所下降。

3　結(jié)論

(1)采用乙醇溶液分散和球磨兩步法能有效地分散氧化石墨烯，獲得混合均勻的氧化石墨烯/銅復(fù)合粉體。

(2)采用冷壓+真空熱壓燒結(jié)的方法成功制備了相對(duì)致密度高于97%的氧化石墨烯/銅基復(fù)合材料。增強(qiáng)體氧化石墨烯以片狀形態(tài)較均勻地分布在銅基體中，并與銅基體形成了良好的結(jié)合界面。

(3)隨著氧化石墨烯含量的增加，復(fù)合材料的顯微硬度逐漸提高，而室溫壓縮強(qiáng)度則先增加后減小。當(dāng)氧化石墨烯含量為0.5%時(shí)，復(fù)合材料的綜合力學(xué)性能較好，顯微硬度和室溫壓縮強(qiáng)度分別為63HV和276MPa，相對(duì)于純銅基體分別提高了8.6%和28%。

(4)石墨烯的強(qiáng)化為剪切應(yīng)力轉(zhuǎn)移強(qiáng)化、位錯(cuò)強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化的共同作用。

[1]岳紅彥, 高鑫, 林軒宇, 等．石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的研究現(xiàn)狀[J]. 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2014, 19(5): 1-4.

YUE H Y, GAO X, LIN X Y, et al. Progress of graphene reinforced copper matrix composite[J]. Journal of Harbin University of Science and Technology, 2014, 19(5): 1-4.

[2]BAKSHI S R,LAHIRI D, AGARWAL A. Carbon nanotube reinforced metal matrix composites:a review[J]. International Materials Reviews, 2010, 55(1): 41-64.

[3]CHEN X, XIA J, PENG J, et al. Carbon-nanotube metal-matrix composites prepared by electroless plating[J]. Composites Science and Technology, 2000, 60(1): 301-306.

[4]DAOUSHB W M, LIMA B K, MOA C B. Electrical and mechanical properties of carbon nanotube reinforced copper nanocomposites fabricated by electroless deposition process[J]. Materials Science and Engineering:A, 2009, 60: 247-253.

[5]KIM K T, CHA S I, HONG S H, et al. Microstructures and tensile behavior of carbon nanotube reinforced Cu matrix nanocomposites[J]. Materials Science and Engineering:A, 2006, 430(1-2): 27-33.

[6]CHO S C, KIKUCHI K K, MIYAZAKI T, et al. Multiwalled carbon nanotubes as a contributing reinforcement phase for the improvement of thermal conductivity in copper matrix composites[J]. Scripta Materialia, 2010, 63(4): 375-378.

[7]CHO S C, KIKUCHI K K, KAWASAKI A. On the role of amorphous intergranular and interfacial layers in the thermal conductivity of a multi-walled carbon nanotube-copper matrix composite[J]. Acta Materialia, 2012, 60(2): 726-736.

[8]RAJKUMAR K, ARAVINDAN S. Tribological studies on microwave sintered copper-carbon nanotube composites[J]. Wear, 2011, 270(9-10): 613-621.

[9]UDDIN S M, MAHMUD T,WOLF C, et al. Effect of size and shape of metal particles to improve hardness and electrical properties of carbon nanotube reinforced copper and copper alloy composites[J]. Composites Science and Technology, 2010, 70(16): 2253-2257.

[10]KIM K T, ECKERT J R, LIU G, et al. Influence of embedded-carbon nanotubes on the thermal properties of copper matrix nanocomposites processed by molecular-level mixing[J]. Scripta Materialia, 2011, 64(2): 181-184.

[11]LIN B K,MO C B,NAM D H, et al. Mechanical and electrical properties of carbon nanotube/Cu nanocomposites by molecular-level mixing and controlled oxidation process[J]. Journal of Nanoscience & Nanotechnology,2010, 10(10):78-84.

[12]XUE Z W, WANG L D, ZHAO P T, et al. Microstructures and tensile behavior of carbon nanotubes reinforced Cu matrix composites with molecular-level dispersion[J]. Materials and Design, 2012, 34: 298-301.

[13]DAS S, LAHIRI D, LEE D Y, et al. Measurements of the adhesion energy of graphene to metallic substrates[J]. Carbon, 2013, 59: 121-129.

[14]SIE C T. Recent progress in the development and properties of novel metal matrix nanocomposites reinforced with carbon nanotubes and graphene nanosheets[J]. Materials Science and Engineering Reports, 2013, 74(10): 281-350.

[15]NOVOSELOV K S, GEIM A K, MOROZOV S V, et al. Electric field effect in atomically thin carbon films[J]. Science, 2004, 306(5696): 666-669.

[16]KIM K S, ZHAO Y, JANG H, et al. Large-scale pattern growth of graphene films for stretchable transparent electrodes[J]. Nature, 2009, 457(7230): 706-710.

[17]PAVITHRA C L, SARADA B V, RAJULAPATI K V, et al. A new electrochemical approach for the synthesis of copper-graphene nanocomposite foils with high hardness[J]. Scientific Reports, 2014, 4: 4049-4055.

[18]LI M, CHE H, LIU X, et al. Highly enhanced mechanical properties in Cu matrix composites reinforced with graphene decorated metallic nanoparticles[J]. Materials Science, 2014, 49(10): 3725-3731.

[19]VAROL T, CANAKCI A. Microstructure, electrical conductivity and hardness of multilayer graphene/copper nanocomposites synthesized by flake powder metallurgy[J]. Metals and Materials International, 2015, 4: 704-712.

[20]凌自成, 閆翠霞, 史慶南, 等. 石墨烯增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料的制備方法研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2015, 29(4): 143-149.

LIN Z C, YAN C X, SHI Q N, et al. Recent progress in preparation methods for metal matrix composite materials reinforced with graphene nanosheets[J]. Materials Review, 2015, 29(4): 143-149.

[21]JEONG H K, LEE Y P, LAHAYA R J W E, et al. Evidence of graphitic AB stacking order of graphite oxides[J]. Journal of the American Chemical Society, 2008, 130: 1362-1366.

[22]BARINOV A, MALCIOGLU O B, FABRIS S, et al. Initial stages of oxidation on graphitic surface: photoemission study and density functional theory calculations[J]. Journal of Physical Chemistry C, 2009, 113(21): 9009-9013.

[23]鄧堯, 黃肖容, 鄔曉齡. 氧化石墨烯復(fù)合材料的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2012, 26(8): 84-87.

DENG Y, HUANG X R, WU X L. Review on graphene oxide composites[J]. Materials Review, 2012, 26(8): 84-87.

[24]周靜. 氧化石墨烯和石墨烯的制備、表征與應(yīng)用[D]. 南京: 南京大學(xué), 2011.

ZHOU J. Synthesis, characterization and application of graphene oxide and graphene[D]. Nanjing: Nanjing University, 2011.

[25]李彬. 石墨烯/銅復(fù)合材料制備及性能研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2012.

LI B. Preparation and properties of graphene/copper composites[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2012.

[26]魏炳偉. 銅-石墨烯復(fù)合材料制備和性能的研究[D]. 重慶: 重慶理工大學(xué), 2014.

WEI B W. Research on preparation and properties of copper-graphene composites[D]. Chongqing: Chongqing University of Technology, 2014.

[27]燕紹九, 楊程, 洪起虎, 等. 石墨烯增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料的研究[J]. 材料工程, 2014, (4): 1-6.

YAN S J, YANG C, HONG Q H, et al. Research of graphene-reinforced aluminum matrix nanocomposites[J]. Journal of Materials Engineering, 2014, (4): 1-6.

[28]李多生, 吳文政, QIN Q H, 等. 石墨烯/Al復(fù)合材料的微觀結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能[J]. 中國(guó)有色金屬學(xué)報(bào), 2015, 25(6): 1498-1504.

LI D S, WU W Z, QIN Q H, et al. Microstructure and mechanical properties of graphene/Al composites[J].The Chinese Journal of Nonferrous Metals, 2015, 25(6): 1498-1504.

[29]LIU X, LI J L, YU X W, et al. Graphene nanosheet/titanium carbide composites of a fine-grained structure and improved mechanical properties[J]. Ceramics International, 2016, 42(1): 165-172.

[30]ZHANG D D, ZHAN Z J. Strengthening effect of graphene derivatives in copper matrix composites[J]. Journal of Alloys and Compounds, 2016, 654: 226-233.

[31]CHEN F Y, YING J M, WANG Y F, et al. Effects of graphene content on the microstructure and properties of copper matrix composites[J]. Carbon, 2016, 96: 836-842.

Microstructure and Mechanical Properties of Graphene Oxide/Copper Composites

HONG Qi-hu,YAN Shao-jiu,YANG Cheng,ZHANG Xiao-yan,DAI Sheng-long

(Research Center of Graphene Applications,Beijing Institute of Aeronautical Materials,Beijing 100095,China)

Graphene oxide/copper (GO/Cu) composites were successfully synthesized through the ball milling and vacuum hot press sintering process. The morphologies of the mixture powders, and the microstructure and mechanical properties of GO/Cu composites were investigated by OM, SEM, XRD, hardness tester and electronic universal testing machine, respectively. The results show that the GO/Cu composites are compact. Graphene oxide with flake morphology is uniformly dispersed and well consolidated with copper matrix. When the mass fraction of graphene oxide is 0.5%, the microhardness and compress strength at RT reach up to 63HV and 276MPa, increased by 8.6% and 28%, respectively. The strengthening mechanism is load transfer effect, dislocation strengthening and fine crystal reinforcing.

graphene oxide/copper composite;vacuum hot press sintering;microstructure;mechanical property

10.11868/j.issn.1001-4381.2016.09.001

TB383;TG146.1+1

A

1001-4381(2016)09-0001-07

2016-06-15；

2016-08-04

燕紹九(1980-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要從事磁性材料及石墨烯應(yīng)用研究工作，聯(lián)系地址：北京市81信箱72分箱(100095)，E-mail:shaojiuyan@126.com