【摘 要】
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铜因具有成本低、良好的延展性和导电、导热性能等优点,成为工业上应用最广泛的金属之一,然而较差的力学与耐磨性能限制了其进一步应用。石墨烯具有高的强度、杨氏模量和导电、导热率以及良好的自润滑性能,是一种理想的纳米增强材料。石墨烯增强铜基复合材料,可在提高复合材料力学性能的同时提升其润滑耐磨性能。但石墨烯有高的表面能,与金属铜的界面润湿性差两者不发生反应、容易发生团聚,从而导致铜-石墨烯复合材料的力学和
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铜因具有成本低、良好的延展性和导电、导热性能等优点,成为工业上应用最广泛的金属之一,然而较差的力学与耐磨性能限制了其进一步应用。石墨烯具有高的强度、杨氏模量和导电、导热率以及良好的自润滑性能,是一种理想的纳米增强材料。石墨烯增强铜基复合材料,可在提高复合材料力学性能的同时提升其润滑耐磨性能。但石墨烯有高的表面能,与金属铜的界面润湿性差两者不发生反应、容易发生团聚,从而导致铜-石墨烯复合材料的力学和摩擦学性能提升有限甚至劣化。针对上述问题,本文采用石墨烯-铜界面设计思路,通过石墨烯表面金属纳米粒子锚定改性及铜-石墨烯-钼原位形成碳化物提高石墨烯与铜的界面结合强度。利用水热法在石墨烯纳米片（GNPs）表面负载与铜具有良好相容性的纳米银颗粒,以降低其表面能,改善石墨烯与铜界面的同时减少石墨烯之间的堆叠与团聚并研究了纳米Ag改性对石墨烯增强铜基复合材料的力学和摩擦学性能的影响。为全面考察Ag的作用,简化制备工艺,在石墨烯/铜基体中设计添加银元素,考究银含量对复合材料力学以及摩擦学性能影响,进一步采用能够与石墨烯形成碳化物的Mo元素,在改善石墨烯-铜界面的同时达到载荷传递强化与细晶强化的效果。深入研究了钼-铜/石墨烯复合材料的界面结构、力学及摩擦学性能,并探索基体合金化对Cu-Mo-GNPs复合材料的界面增强机制及润滑磨损机理。主要结论如下:（1）在石墨烯纳米片表面负载银纳米颗粒（Ag@GNPs）并制备出Ag@GNPs/Cu复合材料。结果表明,银纳米颗粒牢固结合在石墨烯纳米片表面,相比于GNPs,Ag@GNPs均匀的分散于铜基体中,并形成Cu-Ag-GNPs强界面,明显改善GNPs与Cu之间的结合状态。添加0.5wt.%的Ag@GNPs后复合材料硬度与抗拉强度比相同含量下的GNPs/Cu分别提高了 15.1%和22.9%,这归因于Ag@GNPs与铜之间的强界面结合。添加1.5wt.%的Ag@GNPs后复合材料摩擦系数与磨损率最低,相比于1.5wt.%GNPs/Cu复合材料分别降低了 26%和56%,归因于Ag@GNPs在复合材料磨损表面形成致密稳定的富碳润滑膜并随之转移到对偶表面形成转移膜,使得摩擦发生在两个润滑膜之间,有效降低了复合材料的摩擦系数和磨损率。（2）为探寻Ag元素对复合材料力学与摩擦性能的作用,制备出不同银含量的石墨烯-铜复合材料。结果显示,添加4.0wt.%Ag后复合材料的硬度和抗拉强度比添加0.5wt.%的GNPs/Cu（0.5GNPs/Cu）分别提高了29%和17.9%。力学性能的增强由石墨烯在基体内的均匀分散以及银的固溶强化产生。同时,12.0wt.%Ag-0.5wt.%GNPs/Cu（12.0Ag-0.5GNPs/Cu）的摩擦系数降低到0.2,比0.5GNPs/Cu降低了 70%,摩擦系数的降低得益于银以及石墨烯之间的协同润滑作用。（3）制备钼-铜/石墨烯复合材料,探究钼元素对石墨烯-铜界面的改善及其力学与摩擦学性能的影响。结果表明,石墨烯与钼形成MoC及Mo2C纳米颗粒或纳米层,使得GNPs-Cu/Mo界面转化为GNPs-MoC/Mo2C与MoC/Mo2C-Cu/Mo亚界面。同时,Cu-GNPs界面处存在Cu2O与相应的位错区,界面产物有效的增强了石墨烯与铜之间的结合状态。添加4.0wt.%Mo和0.5wt.%GNPs（4.0Mo-0.5GNPs/Cu）后复合材料的硬度和抗拉强度达到最佳相比0.5GNPs/Cu分别提高了 33.1%和20.8%。这主要归咎于加入钼后产生的细晶强化、载荷传递强化。4.0Mo-2.0GNPs/Cu复合材料的摩擦系数可达到0.25,磨损率降低为0.2× 10-4mm3·N-1·m-1。摩擦性能的改善归因于复合材料硬度的提升以及大量石墨烯在磨损表面产生的润滑膜,减少了对偶球与铜-钼基体之间的直接接触。
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