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材料强化和多功能化是金属材料发展的重要方向，金属铜由于其优异的导电、导热性以及良好的可加工性等特点被广泛应用于工业的发展，但是由于其强度、硬度较低以及热膨胀系数高等因素，限制了其在半导体器件、机械电子、航空航天、国防军工等领域的应用。因此，制备出同时具有优异的导热、导电性能和力学性能的铜基复合材料成为目前材料领域研究的热点。一般向纯铜中加入合适的增强材料，使其力学性能提高，同时保持纯铜的高导电、高导热等性能，从而增加其应用范围。目前主要有两种方法，一是在铜基体中加入金属元素与其形成铜合金，铜合金的机械性能较纯铜有很大的提升，但导电和导热性能会明显降低。另一种是在铜基体中引入陶瓷/纤维等增强体形成复合材料，通过铜基体与增强体之间的协同效应，实现“一加一大于二”的效果。 铜基复合材料是由铜及其合金作为基体材料，与其他材料(如金属、陶瓷、聚合物等)相结合制成的一种具有优异性能的新型材料。铜基复合材料由于具有高强度、高硬度、高导热导电性、高耐磨耐蚀性等优异性能，被广泛应用于机械电子、航空航天、能源化工、半导体工业等领域。随着其应用领域的不断扩大，对铜基复合材料的综合性能提出了更高的要求。纳米碳材料(石墨烯(Gr)，碳纳米管(CNTs))由于其优异的导热、导电性及力学性能而被视为铜基复合材料理想的增强体。在纳米碳/铜基复合材料的制备过程中，纳米碳材料的含量/均匀分散，以及不同纳米碳增强体组分对铜基复合材料的性能有至关重要的影响。 电沉积法是制备金属箔的重要方法。例如，通过电沉积法制备的铜箔是生产覆铜板和印刷电路板以及锂电池集流体的重要原材料。电沉积在沉积物的微观结构和性能改性方面具有特殊优势。通常，金属箔的成分、相和微观结构可以通过调节电沉积参数如电流密度、电解质组成和温度来有效控制。通过精确控制电沉积层的成核和生长过程，可以制备不同的微观结构，例如双峰结构、薄片结构，并且可以充分利用组成相之间的耦合效应。 上海理工大学詹科副教授团队对此开展了研究，相关研究成果以题为'Microstructure, properties and synergetic effect of graphene oxide-functionalized carbon nanotubes hybrid reinforced copper matrix composites prepared by DC electrodeposition’和'Microstructure and properties of graphene oxide reinforced copper-matrix composite foils fabricated by ultrasonic assisted electrodeposition’分别发表在Carbon和Materials Science and Engineering: A期刊上。 研究一：直流电沉积制备GO-CNTs复合增强铜基复合材料的微观结构、性能及协同效应研究 链接： https:///10.1016/j.carbon.2023.118157
论文第一作者为硕士研究生曹嘉铭，詹科副教授为通讯作者，上海理工大学为第一通讯单位。
图1 织构演变极图：(a) Cu；(b) CNTs/Cu；(c) GO/Cu；(d) GO-CNT/Cu
图2 复合材料的残余应力：(a) 在电流密度为20A/dm2时，采用不同的碳增强体制备的复合箔；(b) 在不同的电流密度下制备的GO-CNTs/Cu复合箔
图3 纯Cu：(a)
EBSD图谱，(c) 反极图，(e) 晶粒尺寸分布，(g) 极图；GO-CNTs/Cu复合箔：(b) EBSD图谱，(d) 反极图，(f) 晶粒尺寸分布，(h) 极图
图4
(a-b) GO-CNTs/Cu复合材料界面TEM；(c-d)为(a)中的黄色框区域的相应HRTEM图像；(e-h )GO-CNTs/Cu复合材料的元素分布图像；(i-k) GO-CNTs/Cu复合材料中纳米孪晶Cu的TEM形态
图5 (a) 复合箔的摩擦系数；(b-e) 复合箔的磨痕三维形貌Cu，CNTs/Cu，GO/Cu，GO-CNTs/Cu
图6 复合材料的导热性能：(a) 在电流密度为20A/dm2时，采用不同的碳增强体制备的复合箔；(b) 在不同的电流密度下制备的GO-CNTs/Cu复合箔；(c) 导热性能增强机理图 本研究采用直流电沉积制备了GO-CNTs/Cu复合材料，探讨了其中GO-CNTs复合增强体之间的协同效应对材料的微观结构以及性能的影响。 (1) 利用GO的含氧官能团将CNTs均匀分散在硫酸铜镀液中，形成了基于π-π键合的GO-CNTs复合增强体。 (2) GO在表面和边缘附着了丰富的含氧官能团，为Cu晶粒的生长提供了均匀分布的活性位点，降低了阴极的表面能，形成了(111)晶面的择优取向。 (3) 一维CNTs通过π-π键连接相邻的二维GO，GO-CNTs复合增强体的结构类似于叶片，并且TEM结果表明，在界面处形成了C-C键。 (4) 系统地研究了GO-CNT复合增强体在复合箔中的协同作用，最高热导率达到527 W·m-1·K-1 (比纯Cu、CNTs/Cu和GO/Cu复合箔高出～40%、33.8%和18.4%)，最高硬度达到226.8 HV0.1 (比纯铜、CNT/Cu和GO/Cu复合材料分别高出～111.8%、55.7%和20.3%)，最低摩擦系数为0.62 (比纯Cu、CNTs/Cu和GO/Cu复合材料低~28%、25.3%和12.7%)，且GO-CNTs/Cu复合箔的耐腐蚀性也显著提高。 研究二：超声辅助电沉积制备氧化石墨烯增强铜基复合材料的微观组织组织与性能研究 链接： https:///10.1016/j.msea.2023.144995
论文第一作者为詹科副教授和硕士研究生王威震，詹科副教授和赵斌教授为共同通讯作者，上海理工大学为第一通讯单位。
图1在9 A/dm2的电流密度和0.8 g/L的GO浓度，不同的超声功率条件下制备的GO/Cu复合材料的织构变化 (a) 0 W；(b) 80
W；(c) 120 W
图2 在9 A/dm2的电流密度下制备的复合材料的残余应力 (a)不同的GO浓度和120 W的超声功率；(b)不同的超声功率和0.8 g/L的GO浓度；不同的超声功率和0.8 g/L的GO浓度下复合材料的应力分布图 (c) 0 W；(d)
120 W
图3 在120 W超声功率和0 g/L GO浓度下制备的复合材料 (a) EBSD图谱，(e) 晶粒大小分布，(h) 取向分布函数(ODF)；在120 W超声功率和0.8 g/L GO浓度下制备的复合材料(b) EBSD图谱，(f) 晶粒大小分布，(i) 取向分布函数(ODF)；在0 W超声功率和0.8 g/L GO浓度下制备的复合材料 (c) EBSD图谱，(g) 晶粒大小分布，(j) 取向分布函数(ODF)；(d) 反极图
图4 在0.8 g/L的GO浓度、120 W的超声功率和9 A/dm2的电流密度下通过电沉积制备的GO/Cu复合材料 (a) TEM微观结构；(b-c) 界面区域的HRTEM形态与相应的FFT和IFFT图像 (b) 带有位错的界面；(c) 界面上的无序区域；(d-e) 分别显示有位错的界面和界面上的无序区域的示意图；(f-i) 元素分布
图5 GO/Cu复合材料的导热性能 (ac) 和硬度 (bd)
图6 在9 A/dm2电流密度和120 W超声波功率，不同GO浓度条件下和0.4 g/L GO浓度，0 W超声波功率条件下GO/Cu复合材料 (a) 应力-应变曲线；(b) 拉伸强度和伸长率 本研究通过超声辅助直流电沉积法制备了GO/Cu复合材料。系统地研究了超声功率和GO浓度对电沉积工艺制备的复合材料的微观结构和性能的影响。深入讨论了复合材料的结构和性能之间的内在关系。 (1) 在120 W超声功率和0.8 g/L GO浓度的最佳制备条件下，GO/Cu复合材料的平均晶粒尺寸减小到0.26 μm，GO含量增加到1.72%，择优取向最终变为(220)。 (2) 与纯铜箔相比，在0.8 g/L GO浓度下制备的复合材料的热导率增加了约39.8%，达到556.6 W·m-1·K-1。而且最大的硬度值可以达到74.6 HV0.1。复合材料的拉伸强度和伸长率在GO浓度为0.8 g/L时达到最佳值，分别为239 MPa和17%。复合材料的平均摩擦系数从0.87降至0.72。 (3) GO含量的增加、晶粒的细化、择优取向的改变、GO的还原和形成连续网络可能有利于同时提高复合材料的导热性能和力学性能。 *感谢论文作者团队对本文的大力支持 |
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