石墨烯增强铜基复合材料的制备及性能研究*

张煜，宋美慧，李岩，李艳春，张晓臣

（黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江哈尔滨150028）

石墨烯增强铜基复合材料的制备及性能研究*

张煜，宋美慧，李岩，李艳春，张晓臣

（黑龙江省科学院高技术研究院，黑龙江哈尔滨150028）

利用粉末冶金工艺制备石墨烯增强铜基（石墨烯/Cu）复合材料，并研究石墨烯含量对其组织结构及性能的影响。结果表明：当压力一定时，随着石墨烯含量的增加，复合材料密度、电导率均下降，硬度先增大后减小。当石墨烯质量分数达到3%时，材料的密度和电导率降幅分别达12%和45%。

石墨烯/铜；粉末冶金；组织；硬度；密度；电导率

电接触材料（又称电触头材料），是开关电器、仪器、仪表的重要元件，它被广泛应用于各类继电器、断路器和开关装置中，承担着接通和断开电流的作用，其性能优劣将直接影响仪器和设备运转的稳定性和使用寿命［1］。传统的电接触材料主要是银、铜及其合金［2］。但是，由于Ag基触头存在价格昂贵、易硫化［3］等问题，因此，研究者们一直试图用价格相对低廉且导电性能优异的Cu基触头取而代之。但是，表面易氧化、导电性与强度难以兼顾又制约着Cu基触头的应用［4］。因此，能否解决上述问题成为Cu基触头能否广泛应用的关键。

石墨烯具有超大的比表面积（2630m2·g-1），是目前已知强度最高的材料（达130GPa），其载流子迁移率达15000cm2·（V·s）-1，热导率高达5150W·（m· K）-1，是室温下纯金刚石的3倍［5-8］。如果能够将石墨烯的优异性能应用于Cu基体中，将有望弥补Cu基电触头材料的不足，从而实现Cu基电触头的广泛应用。本文利用粉末冶金技术，以石墨烯为增强体，研究其添加量对材料组织性能的影响。

1　实验材料及方法

以200目铜粉和单层石墨烯粉末为原料，按石墨烯质量分数为0.5%、1%、2%和3%分别与铜粉进行混合，混粉工艺为：行星式球磨机N2气氛下球磨4h，磨球材质为不锈钢，球料比10∶1，转速200r· min-1。之后，利用压力试验机压片，压力为500MPa保压2min。真空条件下利用真空管式炉900℃×2h烧结后，将所制备试样利用SOPTOPAE124J密度测量仪、华银HBRV-187.5布洛维硬度计、霍斯特SIGMATEST 2.069电导率测量仪分别测量试样密度、硬度和电导率。

2　结果与讨论

2.1复合材料显微组织分析

图1是复合材料的金相照片。

由图1可知，经过球磨后的粉末混合均匀，石墨烯均匀分布在铜基体中。对比（a）、（b）、（c）、（d）可知，当压力相同时，随着石墨烯含量的不断增加，材料内部孔隙明显增多。这可能是由于石墨烯含量较高时，在烧结过程中石墨烯颗粒不断长大，并最终团聚在一起，从图1（d）中能够清晰看到石墨烯团聚在一起，这将极大地影响材料性能。

图1　石墨烯/Cu复合材料金相照片Fig.1 Metallograph of C/Cu composites

2.2石墨烯含量对复合材料密度的影响

图2是复合材料密度与石墨烯质量分数的关系图。

图2　复合材料密度与石墨烯质量分数的关系Fig.2 Relationship between density of graphene/Cu composites and graphenemass fraction

由图2可知，随着石墨烯质量分数的增加，复合材料的密度呈下降趋势。当石墨烯质量分数达到3%时，材料的密度降幅达12%。这是由两方面因素造成的：（1）石墨烯＜Cu。因此，随着石墨烯质量分数的增加，复合材料的密度下降；（2）石墨烯的加入降低了Cu基体的致密度。石墨烯弥散分布于铜基体中，可以有效阻碍Cu原子的扩散，且含量越高，阻碍作用越强，材料致密度越小，密度越低。此外，结合2.1节中图1可知，随着石墨烯含量的不断增加，其团聚倾向逐渐增强，当石墨烯质量分数达到3%时，可以看到明显团聚，同时基体内存在很多孔隙，使材料致密度大幅降低，密度大幅下降。

2.3石墨烯含量对复合材料硬度的影响

图3是复合材料硬度与石墨烯质量分数的关系图。

图3　复合材料硬度与石墨烯质量分数的关系Fig.3 Relationship between hardness of graphene/Cu composites and graphenemass fraction

由图3可知，复合材料的硬度随石墨烯质量分数的增加先增大后减小。结合图1可知，石墨烯均匀分布在铜基体中，根据“位错强化”机理［9］，石墨烯能够有效阻碍位错运动，从而达到很好的强化效果。随着石墨烯含量不断增加，其对位错的钉扎作用不断增强，从而使材料的强度和硬度不断提高。同时，“第二相”石墨烯的加入有利于晶粒细化，实现“细晶强化”［10］。但是，当石墨烯含量过高时，石墨烯将分布在晶界处，阻碍烧结过程中相邻颗粒间的结合，从而降低材料的致密化程度，使材料的硬度下降。此外，当石墨烯含量增加到一定值后时，基体中单位体积内的石墨烯片层数目增多，易于在层间范德华力作用下团聚，使材料致密度降低，硬度下降。

2.4石墨烯含量对复合材料电导率的影响

图4是复合材料电导率与石墨烯质量分数的关系图。

图4　复合材料电导率与石墨烯质量分数的关系Fig.4 Relationship between electrical conductivity of graphene/Cu composites and graphenemass fraction

由图4可知，随着石墨烯质量分数的不断增加，复合材料的电导率逐渐下降，当石墨烯质量分数达到3%时，材料的电导率降幅可达45%。根据晶体理论，材料内部电阻的产生主要由于晶格完整性遭到破坏［11］。石墨烯的加入破坏了金属铜晶格体系的完整性，使其出现严重的晶格畸变，这大幅增加了电子波的散射作用，从而使电阻增加，电导率下降。同时，石墨烯的弥散分布阻碍了材料致密化，使孔隙率增加，密度降低，进而使电导率降低。此外，石墨烯的加入还有效阻碍了晶粒长大，使晶界面积增大，同时也增加了其对电子的散射作用，导致电导率下降。

3　结论

（1）通过粉末冶金工艺制备的石墨烯/Cu复合材料，随着石墨烯含量增加，密度、电导率均降低，当石墨烯质量分数达到3%时，材料的密度和电导率降幅分别达12%和45%。

（2）随着石墨烯含量增加，材料的硬度先增大后减小。

［1］郭忠全.高性能铜基电接触复合材料的研制及强化机理研究［D］.济南：山东大学，2011.

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［3］王松，付作鑫，王塞北，等.银基电接触材料的研究现状及发展趋势［J］.贵金属，2013，（1）：79-83.

［4］姚倩倩，张代东.新型铜基电触头复合材制［J］.新材料产业，2010，（6）：18-20.

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［9］胡赓祥，蔡珣.材料科学基础［M］.上海：上海交通大学出版，2006：108.

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［11］陈騑騢.材料物理性能［M］.北京：机械工业出版社，2006. 135-136.

Graphene reinforced Cu-base com posites:preparation and properties*

ZHANG Yu，SONGMei-hui，LIYan-chun，ZHANG Xiao-chen
（Istitute of Advanced Technology，Heilongjiang Academy of Sciences，Harbin 150028，China）

In this work，graphene/Cu compositeswere prepared bymeans of powdermetallurgy.The effect of graphene content on the structure and properties of graphene/Cu composites was studied.The results reveal that when the pressure remains constant，density and electrical conductivity both decrease with the increase of graphene content，while hardness decrease after increasing first.When themass fraction of graphene reaches 3%，the reduction of density and conductivity of thematerial respectively arrive at 12%and 45%.

graphene/Cu；powdermetallurgy；microstructure；hardness；density；electrical conductivity

TB331

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20160262

2015-11-16

哈尔滨市科技攻关项目（No.2013AA4AG003）

张煜（1988-），男，汉族，黑龙江齐齐哈尔人，硕士，研究实习员，研究方向：功能复合材料