PDF《球磨时间对石墨烯 /铜复合材料组织和性能的影响》

6 h 时,球磨诱发铜粉颗粒的反复剪切、焊合、 断裂、重焊等高度畸变,使得团聚状的铜粉和石墨烯 组织进一步减少,铜粉颗粒细小且均匀,石墨烯呈薄 片状,厚度很薄,能够较清晰地看到石墨烯弥散而均 匀地分布在铜粉中.当球磨时间达到

8 h 时,如图 2d 所示,球磨致使铜颗粒加工硬化显著增强,当球与球、 球与筒壁碰撞时,粉体之间易发生断裂,并产生孔隙 和裂纹,铜粉末更加分散,石墨烯在铜粉末中分散更 加均匀,透明度更高,表明石墨烯厚度更薄. 2.1.2 复合粉末的 XRD 分析 图3显示了球磨后复合粉末的 XRD 图谱.经过对 比发现,随球磨时间的延长,衍射峰逐渐宽化,表明晶 图1初始粉末的 SEM 照片 a b c 第1期凌自成等:球磨时间对石墨烯/铜复合材料组织和性能的影响 ・209・ Fig.1 SEM images of staring powders: (a) powders of graphene, (b) powders of Cu, and (c) mixed powders of composites 图2不同球磨时间混合粉末的 SEM 照片 Fig.2 SEM images of mixed powders milled for different time: (a)

2 h, (b)

4 h, (c)

6 h and (d)

8 h 图3不同球磨时间下复合粉末的 XRD 图谱 Fig.3 XRD patterns of powders milled for different time 粒尺寸逐渐减小. 随着球磨时间的增加, 衍射峰向左移 动,说明在机械合金化过程中,发生了晶格畸变.在图

3 中未发现石墨烯的衍射峰. 借助 XRD 能谱对球磨

8 h 混合粉末中貌似存在石墨烯的区域进行点扫描分析(如图4所示). 分析发现, 该区域 Cr 质量分数达到了 90.2%, C 原子分数也达到了 94.58%.说明混合粉末中确实存 在石墨烯, 但可能因为石墨烯含量较少, 不足以在 XRD 图谱中显现出石墨烯的衍射峰,另外也可能因为 Cu 产 生的背景噪声将石墨烯峰掩盖. 在点分析区域, 氧质量 分数达到了 5.90%,可能是混合粉末在制备过程中,铜 或者石墨烯被氧化所导致. 2.2 球磨时间对 G/Cu 复合材料组织及力学性能的 影响 2.2.1 球磨时间对 G/Cu 复合材料组织的影响 球磨时间分别为

2 和4h的复合材料试样的形貌, 如图 5a、5b 所示.从图中看到,黑色的团球状分散物 镶嵌在灰色基体中.对图 5b 中的黑色团球区域 B 和 灰色区域 A 做能谱分析,结果如 5c、5d 所示.由图 5c 可知,A 点灰色区域主要为铜元素,其次还有少量 的碳元素.由图 5d 可知,团球状物质主要成分为铜元 素、碳元素,其次还有硅、铝、钙等元素.从图中可 以看到,石墨烯发生了团聚,可能因为石墨烯与铜的 润湿性差造成, 产生了偏析. 但由图 5a 和5b 中可看出, 随球磨时间的增加, 石墨烯在铜基体中的扩散相对越来 越均匀, 并且由于增大了材料的变形度, 能更有效地焊 合孔隙,进而提高了复合材料的结合和致密度. 2.2.2 球磨时间对 G/Cu 复合材料力学性能的影响 对烧结后所得试样进行拉伸和压缩的强度试验, 其应力-应变曲线如图

6 所示. 材料的抗拉强度和屈服 强度等性能对球磨时间比较敏感.在较短的球磨时间 的情况下(2 h), 复合材料在

150 MPa 开始发生了屈服, 并伴随有一个快速的加工硬化过程,如图 6a 中1#所示.而经过较长的球磨时间(8 h) ,在较早的

100 MPa 左右就开始发生了屈服现象,随后发生了加工硬化过 程,最终其抗拉强度达到约

270 MPa,如图 6a 中4# a b c d 2θ/(° ) ・210・ 稀有金属材料与工程 第46 卷 所示.之所以发生这种现象主要是由于在较短的球磨 时间下,2 种材料没有发生完全的均匀混合,力学性 能分阶段地显现出两种材料的特性.而经过较长时间 球磨后,2 种材料发生了充分混合,组织性能比较均 图4球磨