Fabrication d'en - Groupe en aluminium pur

Rapports scientifiques volume 6, Numéro d'article : 19363 (2016) Citer cet article

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Les composites graphène / Cu ont été fabriqués selon une approche de croissance in situ du graphène, qui impliquait le broyage à billes de poudres de Cu avec du PMMA comme source de carbone solide, la croissance in situ du graphène sur des poudres de Cu feuilletées et le frittage sous vide à chaud. Les résultats de caractérisation SEM et TEM ont indiqué que le graphène cultivé in situ sur des poudres de Cu garantissait une dispersion homogène et une bonne combinaison entre le graphène et la matrice de Cu, ainsi que la structure intacte du graphène, ce qui était bénéfique pour son effet de renforcement. La limite d'élasticité de 244 MPa et la résistance à la traction de 274 MPa ont été obtenues dans le composite avec 0,95 % en poids de graphène, qui étaient séparément de 177 % et 27,4 % d'amélioration par rapport au Cu pur. L'effet de renforcement du graphène cultivé in situ dans la matrice a contribué au transfert de charge et au renforcement des dislocations.

Une structure unique contenant quelques couches d'atomes de carbone hybrides sp21 dans un réseau hexagonal confère au graphène des propriétés mécaniques et fonctionnelles supérieures, telles qu'une résistance mécanique et un module de Young incomparables, une conductivité thermique extrêmement élevée et une mobilité des porteurs de charge2,3,4,5. Ainsi, les composites à matrice métallique (MMC) renforcés avec du graphène ont attiré beaucoup d'attention au cours des dernières années, car ils ont un grand potentiel pour obtenir des performances élevées pour répondre aux exigences de haute résistance, de bonne ténacité et de légèreté6,7,8,9 ,10,11. Cependant, les atomes suspendus sur les bords du graphène rendent le graphène instable et extrêmement susceptible de s'agglomérer ou même de se réempiler pour former de fines feuilles de carbone ou de graphite via la force de van der Waals et la réaction π - π12, ce qui entraîne de grandes difficultés dans la fabrication des MMC.

Jusqu'à présent, le graphène utilisé pour fabriquer les MMC est entièrement ajouté ex-situ à la matrice métallique. La plupart des recherches se sont concentrées sur la combinaison de poudres métalliques avec de l'oxyde de graphite réduit (RGO) et des nanoplaquettes de graphène (GNP) par intégration chimique ou mécanique pour obtenir une dispersion souhaitable de graphène dans la matrice métallique. Pour la méthode d'intégration chimique, l'adsorption électrostatique entre les ions Al hydrolysés et l'oxyde de graphite chargé négativement (GO) a été utilisée pour obtenir la dispersion souhaitée de GO sur les poudres Al. Jaewon Hwang et al.14 ont synthétisé des poudres composites RGO/Cu en mélangeant GO avec une solution de Cu(CH3COO)2 et en réduisant davantage. Cependant, la réduction incomplète de GO et la réunion de RGO dans le processus de réduction pourraient influencer l'effet de renforcement du graphène. D'autre part, l'intégration mécanique par broyage mécanique à billes de poudres métalliques et de graphène est largement utilisée pour obtenir une dispersion uniforme du graphène dans une matrice métallique. Par exemple, Li et al.15 ont ajouté du RGO dans des poudres d'Al et ont réalisé une combinaison entre des poudres de RGO et d'Al par cryobroyage. Une forte dispersion de graphène dans une matrice métallique est obtenue par broyage à billes de GNP avec des poudres métalliques, au cours duquel le GNP a été extrait et dispersé dans la matrice16,17. Le broyage à billes est une méthode simple et pratique, mais il introduit inévitablement de nombreux défauts dans le graphène, ce qui est également préjudiciable à son effet de renforcement5,6,7,14. Par conséquent, bien que de nombreux travaux aient démontré que les MMC pouvaient être renforcées par l'ajout de graphène, les lacunes des méthodes conventionnelles utilisant RGO ou GNP comme renforts directement ajoutés dans la matrice métallique ont limité les progrès de la recherche17,18,19. Par conséquent, il est très utile de fabriquer des MMC renforcées avec du graphène cultivé in situ dans les futurs travaux dans ce domaine.

Les composites à matrice Cu présentent une large gamme d'applications dans différents domaines, tels que l'automobile, la microélectronique, etc.20. Les renforts traditionnels utilisés pour fabriquer les composites à matrice de Cu tels que les oxydes et les nanoparticules de carbure entraînent une amélioration significative des propriétés mécaniques du Cu21. Néanmoins, la mauvaise conductivité électrique et thermique de ces renforts les rend inadaptés aux applications électroniques. Ainsi, le graphène à structure intacte en tant que renfort pour le composite de Cu présente un grand potentiel pour fabriquer un composite à matrice de Cu souhaitable. Récemment, Wang et al.22 ont réalisé un revêtement uniforme de PMMA sur les surfaces de poudres métalliques à l'aide d'alcool polyvinylique (PVA) comme liant et ont en outre obtenu du graphène cultivé in situ dans la matrice métallique. De plus, le graphène monocouche cultivé in situ sur une matrice de Cu a été obtenu en catalysant du PMMA enduit sur des feuilles de Cu4. Ainsi, le graphène cultivé in situ dans une matrice Cu fournit directement une bonne approche pour surmonter les goulots d'étranglement suscités par l'intégration chimique et l'intégration mécanique et pour obtenir une bonne dispersion du graphène dans une matrice Cu.

Dans ce travail, nous introduisons une méthode favorable pour fabriquer des composites graphène/Cu avec du graphène in situ cultivé sur des poudres de Cu à partir de la source de carbone solide PMMA, garantissant une bonne dispersion et une bonne interface entre le graphène et la matrice Cu. Après l'optimisation des paramètres du procédé, des composites graphène/Cu en vrac sont préparés et testés. En outre, nous démontrons les mécanismes de renforcement du graphène cultivé in situ à travers les caractérisations de SEM et TEM ainsi que la procédure expérimentale. L'objectif de ce travail est de répondre aux exigences toujours croissantes de résistance structurelle et d'efficacité énergétique à l'avenir.

La figure 1 est une brève illustration schématique des procédures de fabrication de composites graphène/Cu. Une discussion détaillée de la préparation de l'échantillon est donnée dans la section Méthodes.

Diagramme schématique des procédures de fabrication pour fabriquer des composites graphène/Cu.

(a) Poudres de Cu originales et PMMA. (b) Poudres feuilletées de Cu chargées de PMMA après broyage à billes. (c) Poudres composites graphène/Cu. ( d ) Composite graphène / Cu en vrac après frittage à chaud.

La morphologie des poudres de Cu sphériques d'origine est illustrée à la Fig. 2 (a) et la taille des poudres de Cu est d'environ 30 à 40 μm de diamètre. Après le broyage à billes, les poudres de Cu sont transférées en petits flocons de Cu. La figure 2 (b) montre l'image SEM de poudres de Cu broyées à billes qui ont été déformées en forme de flocons avec des surfaces lisses et une épaisseur d'environ 1 μm. La surface de la matrice Cu est grandement améliorée, offrant une plus grande position pour l'adhérence du PMMA. Dans le même temps, les poudres de PMMA sont pulvérisées en particules plus petites et chargées sur les surfaces des flocons de Cu en présence d'une force mécanique. Des images de PMMA trituré dispersé sur les surfaces de flocons de Cu de PMMA/Cu-1, PMMA/Cu-2 et PMMA/Cu-3 sont montrées sur la Fig. 2(c–e), dans laquelle PMMA/Cu-2 montre le dispersion la plus homogène de PMMA sur des paillettes de Cu. Avec l'augmentation du PMMA, la taille des particules de PMMA chargées sur les flocons de Cu augmente. Selon ces résultats, trop de PMMA peut entraîner l'agglomération du PMMA sur les poudres de Cu, conduisant à une plus grande taille des particules de PMMA.

( a ) Image SEM de poudres de Cu pures originales. (b) Poudres feuilletées de PMMA/Cu ; Micrographies SEM de PMMA trituré dispersé sur la surface de (c) PMMA/Cu-1, (d) PMMA/Cu-2 et (e) PMMA/Cu-3, en conséquence.

Les figures 3 (a à c) représentent les morphologies du graphène cultivé in situ sur des poudres de cuivre feuilletées de graphène/Cu-1, graphène/Cu-2 et graphène/Cu-3, respectivement. Dans les poudres composites graphène/Cu-1et graphène/Cu-2, un morceau entier de graphène couvre plusieurs joints de grains de Cu et les joints de grains de la matrice de Cu sont clairement visibles sous le graphène en relief, indiquant la transmission lumineuse élevée et la bonne cristallinité de in-situ graphène. La figure 3 (e) fournit une image TEM du graphène montrant un motif de diffraction électronique à zone sélectionnée hexagonale (SAED), qui indique clairement le motif du graphène à quelques couches. Dans les poudres composites graphène/Cu-3, la morphologie SEM des produits de réduction du PMMA est significativement différente de celles du graphène/Cu-1 et du graphène/Cu-2 et seuls certains graphènes décentralisés peuvent être identifiés dans l'image.

Morphologies SEM de (a) graphène/Cu-1, (b) graphène/Cu-2 et (c) graphène/Cu-3, respectivement ; Morphologies TEM de (d) graphène/Cu-1, (e) graphène/Cu-2 et (f) graphène/Cu-3, respectivement. ( g ) Modèles XRD de graphène / Cu-1, graphène / Cu-2 et graphène / Cu-3. (h) Spectres Raman de graphène/Cu-1, graphène/Cu-2 et graphène/Cu-3.

Pour explorer davantage les morphologies et la qualité du graphène cultivé in situ dans différentes poudres composites, la matrice de Cu est éliminée en utilisant une solution de CuSO4 acidifiée avec de l'acide chlorhydrique et le graphène est observé par TEM. Les morphologies du graphène à partir de graphène / Cu-1, graphène / Cu-2 et graphène / Cu-3 sont illustrées à la Fig. 3 (d – f). Sur la figure 3 (d, e), les rides du graphène se distinguent dans les images et la grande transparence du graphène résulte de sa structure ultra-mince. La taille de la couche de graphène va jusqu'au niveau micro et les zones avec un contraste relativement plus important sont des particules de Cu résiduelles. Étant donné que le graphène a une forte résistance chimique à la solution de gravure, le Cu recouvert d'une couche de graphène ne peut pas facilement être totalement gravé14 et certaines particules résiduelles de Cu à l'échelle nanométrique peuvent être vues dans les images TEM. Sur la figure 3 (f), le produit en PMMA ne possède pas de structure de bord ondulé et sa transmission de la lumière n'est pas aussi idéale dans certaines zones. À en juger par les caractérisations de SEM, TEM et Raman, nous soupçonnons que le rapport de masse de PMMA dans PMMA/Cu-3 a au-delà de la capacité de Cu à catalyser tout le PMMA en graphène et les produits de réduction partielle de PMMA/Cu-3 sont du carbone mince feuilles au lieu de graphène.

La figure 3 (g) montre les résultats XRD des poudres de graphène/Cu-1, graphène/Cu-2 et graphène/Cu-3, respectivement. Trois pics de diffraction de forte intensité correspondent respectivement aux trois plans cristallins de (111), (200) et (220) du Cu cubique à faces centrées (fcc). Aucun pic de graphène n'est détecté, car de forts pics de diffraction de la matrice Cu masquent les informations du graphène. À l'exception des pics de Cu, aucun autre pic n'a été détecté, indiquant une stabilité chimique entre la matrice de Cu et le graphène. Les spectres Raman de trois poudres composites sont présentés sur la figure 3 (h). La bande G provient du mouvement d'étirement des paires de carbone sp2 dans les anneaux et les chaînes, tandis que la bande D provient de défauts dans le réseau hexagonal de carbone sp2 ou de l'effet de taille de particule finie23. L'intensité relative entre les pics D et G (ID/IG) reflète la qualité des NTC ou du graphène et une valeur de rapport plus élevée peut indiquer une densité de défauts plus élevée14,24. Les rapports ID/IG du graphène/Cu-1 et du graphène/Cu-2 sont mesurés à environ 0,76, ce qui démontre que le graphène obtenu par cette méthode présente une bonne cristallinité et une bonne intégrité structurelle. Avec l'augmentation du PMMA, le rapport ID/IG du graphène/Cu-3 augmente à 0,9, révélant que les défauts du graphène augmentent avec la source de carbone solide.

Dans les méthodes traditionnelles, le broyeur à boulets est utilisé pour disperser le RGO dans la matrice métallique. Au cours de ce travail, le graphène se développe in situ sur une matrice de Cu après broyage à billes de poudres de Cu et de PMMA. En comparaison, non seulement les dommages mécaniques causés par le broyeur à boulets sont totalement évités, mais la morphologie du graphène pourrait également conserver son intégrité d'origine lorsque la liaison entre le graphène et la matrice de Cu se forme.

L'image TEM haute résolution des bords du graphène à partir de graphène / Cu-2 est illustrée à la Fig. 4 (a) et environ trois couches de graphène peuvent être identifiées. L'espace intercouche des couches de graphène est mesuré par transformée de Fourier à l'aide de Digital Micrograph. Compte tenu des écarts de mesure, un espace intercouche de 0,66 nm est obtenu en mesurant l'espace entre trois couches de graphène après transformée de Fourier et transformée de Fourier inverse. Ainsi, l'espace intercouche du graphène cultivé in situ est de 0,33 nm et il est assez proche de la valeur théorique (0,34 nm)4, prouvant la bonne qualité du graphène cultivé in situ. L'AFM est également une méthode efficace pour mesurer l'épaisseur des échantillons. La figure 4 (b) montre une image AFM typique et une analyse de section de graphène cultivé in situ à partir de poudres composites graphène / Cu-2 après la gravure de la matrice de Cu. Dans l'image, deux morceaux de graphène se chevauchent et leur épaisseur est obtenue en mesurant l'épaisseur entre B, C et A. Les épaisseurs des zones B et C sont respectivement de 0,78 nm et 0,41 nm. Cela signifie que les deux morceaux de graphène sont séparément de trois couches et de deux couches, ce qui est cohérent avec les données de la figure 4 (a).

( a ) Image HRTEM du graphène cultivé in situ et de son espace intercalaire. ( b ) Une image AFM et une analyse de section de graphène cultivé in situ absorbé sur du mica fraîchement clivé.

La figure 5 représente les surfaces de fracture du graphène/Cu-1, du graphène/Cu-2 et du graphène/Cu-3. Parmi les fossettes des fractures, on pouvait clairement voir du graphène déchiré extrait des surfaces de fracture du graphène/Cu-1 et du graphène/Cu-2. En particulier, le graphène cultivé in situ est dispersé de manière homogène dans le composite graphène / Cu-2 sans agglomération (Fig. 5 (b)), car le graphène a été cultivé in situ sur des flocons de Cu avant le processus de frittage à chaud. Cependant, dans le graphène / Cu-3 (Fig. 5 (c)), de fines feuilles de carbone ont pu être identifiées dans les fossettes de sa surface de fracture. Le carbone mince a été séparé de la matrice et il n'y a aucun signe évident d'adhérence entre eux.

Surfaces de fracture de (a) graphène/Cu-1, (b) graphène/Cu-2 et (c) graphène/Cu-3, en conséquence.

Les propriétés mécaniques des composites Cu pur et graphène / Cu sont répertoriées dans le tableau 1 et la figure 6 montre les courbes contrainte-déformation des composites graphène / Cu et du Cu pur. Il est évident qu'il y a une nette amélioration des propriétés mécaniques des composites graphène/Cu. Parmi les composites, le graphène/Cu-2 présente une résistance à la traction de 274 MPa et une limite d'élasticité de 244 MPa, qui sont respectivement supérieures de 27,4 % et 177 % au Cu pur. L'effet de renforcement de la limite d'élasticité est plus efficace que la méthode d'imprégnation (120%)25. La limite d'élasticité et la résistance à la traction augmentent avec l'augmentation de la teneur en graphène par rapport au composite graphène/Cu-1. Cependant, les propriétés mécaniques du graphène/Cu-3 tombent à un niveau assez bas. La mauvaise amélioration du graphène/Cu-3 peut résulter principalement en de fines feuilles de carbone, comme le montrent les Fig. 3(f) et 5(c), ce qui nuit aux propriétés mécaniques des composites. Le graphène/Cu-3 montre également une diminution significative de l'allongement par rapport aux autres composites, ce qui indique en outre l'effet néfaste des fines feuilles de carbone dans le composite. Il est à noter que le graphène/Cu-1 présente une ténacité améliorée par rapport au Cu pur et ce résultat provient de l'excellent module du graphène. Ce phénomène révèle que le composite peut être renforcé sans perte de bonne ductilité avec du graphène cultivé in situ. La valeur de dureté du Cu pur est beaucoup plus élevée que celle du Cu commun, ce qui est la conséquence du durcissement à froid du processus de broyage à billes.

Courbes contrainte-déformation de Cu pur et de différents composites graphène/Cu.

Pour obtenir le contenu précis du graphène cultivé in situ dans les composites graphène/Cu, des tests thermogravimétriques sont effectués pour mesurer les fractions massiques des composites. Les résultats des tests thermogravimétriques sont résumés dans le tableau 1. Les teneurs en graphène des composites sont inférieures aux valeurs de conception, car les atomes de carbone dérivés du PMMA pyrolysé peuvent diffuser avec l'atmosphère en circulation. Nous soupçonnons que le flux d'air dans le tube de quartz enlève une partie des atomes de C pendant le processus de catalyse, laissant des particules d'atomes de carbone catalysées au graphène sur la matrice de Cu. Étant donné que le graphène/Cu-3 contient de nombreuses feuilles de carbone minces à l'exception du graphène, il n'est pas facile d'obtenir la teneur précise en graphène dans le graphène/Cu-3.

La valeur de densité théorique du composite peut être calculée à partir de l'équation (1) :

où, , et sont les densités des composites graphène/Cu, du graphène et de la matrice Cu, respectivement. et sont des fractions massiques de graphène et de matrice Cu. La densité du graphène est estimée à = 1,06 g/cm3 26 et la valeur théorique de la densité du composite graphène/Cu-2 (0,95 % en poids de graphène) est de 8,31 g/cm3. La densité du composite graphène/Cu-2 est mesurée à 8,28 g/cm3 selon le test, ce qui est assez proche de la valeur de densité théorique. Cela montre que la procédure de frittage à chaud réalise presque une densification complète du composite.

Les conductivités électriques des composites sont très proches de celles d'un conducteur Cu recuit standard, 57,5 × 106 S·m−1 de l'International Annealed Copper Standard (IACS)25. Les conductivités électriques sont évaluées par la méthode des courants de Foucault. La conductivité du Cu pur est mesurée à 57,1 × 106 S·m−1 et les conductivités des composites graphène/Cu-1, des composites graphène/Cu-2 et des composites graphène/Cu-3 sont mesurées à 57,3 × 106 S· m−1, 57,5 × 106 S·m−1 et 56,4 × 106 S·m−1, respectivement. Comme nous pouvons le voir, les conductivités électriques du graphène/Cu-1 et du graphène/Cu-2 sont supérieures à celles du Cu pur. En raison de l'augmentation du défaut dans le graphène obtenu in situ, la conductivité électrique du graphène/Cu-3 est inférieure à celle du Cu pur et des deux autres composites graphène/Cu. L'effet du graphène au sein de la matrice est comme des "films conducteurs", garantissant le transfert de courant dans les composites. Dans cette optique, les conductivités électriques des composites graphène/Cu améliorées par le graphène cultivé in situ se maintiennent à un niveau satisfaisant pour une utilisation en électronique.

Jusqu'à présent, le mécanisme de renforcement des MMC peut être élucidé par de nombreuses théories. Le transfert de charge27, le renforcement des dislocations28, le renforcement des solutions solides29, le renforcement des précipitations30 et le raffinement des grains31 sont généralement considérés comme les mécanismes de renforcement dans les CMM. Parmi ces mécanismes, le transfert de charge et le renforcement des dislocations contribuent de manière significative aux effets de renforcement dans les composites graphène/métal22.

Une excellente interface entre le renfort et la matrice est un facteur clé pour garantir l'effet de renforcement dans les composites. S'agissant d'un composite, de nombreux facteurs peuvent influer sur l'interface et le collage interfacial occupe un impact considérable. HRTEM est utilisé pour étudier l'interface entre le graphène et la matrice Cu dans le composite graphène/Cu-2. Étant donné que la solubilité des atomes de C dans la matrice de Cu est extrêmement faible, le graphène cultivé in situ sur des flocons de Cu est assez fin et forme une interface bien en contact avec la matrice de Cu, comme le montre la figure 7 (a). L'image HRTEM en médaillon révèle un espacement de réseau de 0,21 nm, ce qui correspond au plan (111) du Cu cubique. La surface (111) de Cu est capable de catalyser le PMMA dans la plus haute qualité de graphène en croissance épitaxiale, en termes d'intégrité structurelle, en raison de la correspondance de réseau étroite entre le graphène hexagonal (constante de réseau 2,46 A ° à 573 K) et hexagonal ( 111) Cu (constante de réseau 2,56 A° à 573 K)32. La liaison entre le graphène et l'interface (111) Cu est d'une résistance extrêmement élevée selon les simulations de dynamique moléculaire33. Les couches de graphène sont clairement visibles et il n'y a pas d'espace ou d'impureté le long des interfaces entre le graphène et la matrice Cu dans l'image HRTEM, indiquant que la liaison interfaciale entre le graphène cultivé in situ et la matrice Cu est de haute résistance. Le composite graphène/Cu-2 déformé après l'essai de traction est ensuite analysé à l'aide de TEM pour mieux comprendre le mécanisme de renforcement. Sur la figure 7 (b), on observe que le graphène adhère étroitement à la matrice. L'intégrité de la structure du graphène est conservée intacte après le frittage à chaud et aucune agrégation de graphène ne se produit. On voit que les dislocations s'accumulent près du graphène et la densité de dislocations est supérieure à celle des autres zones, indiquant que le graphène agit comme des obstacles à la propagation des dislocations lors de la déformation. L'encart de la figure 7b montre que le graphène s'étend à travers la région des dislocations.

( a ) Morphologie TEM de l'interface entre le graphène et la matrice Cu dans le composite graphène / Cu-2. ( b ) Effet de renforcement des dislocations du graphène dans le composite graphène / Cu-2. ( c ) Diagramme schématique d'une vue en coupe du graphène / Cu dans le processus de fracture.

La figure 7(c) est un diagramme schématique d'une vue en coupe de graphène/Cu. Compte tenu de l'effet du flux gazeux pendant le processus de catalyse, une petite proportion d'atomes de C peut former du graphène convexe et la plupart des parties de la couche de graphène sont étroitement attachées aux grains de Cu. Ainsi, une interface bien contactée et une bonne liaison entre la matrice Cu et le graphène garantissent l'efficacité du transfert de charge lors de la déformation. Lorsque le composite est sous contrainte, le graphène supporte une certaine partie de la charge transférée de la matrice au cours du processus de déformation. Étant donné que le graphène a une résistance beaucoup plus élevée que le Cu, la matrice de Cu se fracture avant le graphène. Après la fracture de la matrice Cu, le graphène est allongé et une force supplémentaire est nécessaire pour obtenir la fracture complète du graphène, ce qui peut être corroboré par la morphologie de la surface de fracture (Fig. 5 (b)). Le graphène existe dans des fossettes profondes et est extrait de la matrice Cu, indiquant que le transfert de charge joue un rôle important dans l'effet de renforcement. Ce diagramme schématique est également utile pour expliquer l'amélioration de l'allongement du composite graphène/Cu-1. Étant donné que le graphène a un module élevé, il peut également améliorer la ténacité des composites en empêchant la progression de la rupture.

Selon la règle de mélange des composites (équation (2))

où , et sont les résistances à la traction des composites graphène/Cu, de la matrice Cu et du graphène, et sont les fractions volumiques de la matrice Cu et du graphène.

En théorie, le composite graphène/Cu-2 devrait présenter une amélioration remarquable des propriétés mécaniques. Cependant, l'augmentation réelle de la résistance à la traction est bien inférieure à la valeur théorique (4,47 GPa). Ceci est principalement dû aux différentes orientations des flocons de Cu pendant le processus de frittage à chaud. Comme le montre la figure 7 (c), le graphène sur les flocons de Cu n'obtiendrait pas d'effet de renforcement si les plans des flocons de Cu étaient verticaux plutôt que le long de la direction de la charge.

En conclusion, le composite graphène / Cu avec du graphène à structure intacte uniformément dispersé dans la matrice de Cu a été fabriqué avec succès par croissance in situ de graphène sur des poudres de Cu feuilletées et pressage à chaud sous vide. Le graphène observé dans l'expérience existe principalement sur les joints de grains de Cu et forme une liaison face-face avec des poudres de Cu feuilletées. La limite d'élasticité de 144 MPa et la résistance à la traction de 274 MPa sont obtenues dans un composite graphène/Cu avec 0,95 % en poids de graphène, qui représentent respectivement une amélioration de 177 % et 27,4 % par rapport au Cu pur. L'effet de renforcement du graphène cultivé in situ dans la matrice contribue au transfert de charge et au renforcement des dislocations. Les composites fabriqués dans cette méthode peuvent être renforcés et renforcés avec du graphène in situ cultivé dans une matrice de Cu en raison de l'excellent module du graphène et de l'interface à haute résistance. La nouvelle méthode de fabrication du composite graphène/Cu avec du graphène cultivé in situ est significative pour la conception et la production de masse de MMC. L'optimisation de la taille des poudres de Cu d'origine et de la température de frittage à la presse à chaud et cette question seront étudiées dans des travaux futurs.

Les matériaux initiaux comprennent des poudres de Cu atomisées (pureté à 99,9 %, -400 mesh) et des poudres de PMMA (pureté à 99,9 %, environ 80 μm de diamètre). Les poudres initiales ont été produites en mélangeant 0,1, 0,2 ou 0,3 g de PMMA, 10 g de poudres de Cu et 150 g de billes d'acier inoxydable et broyées à billes à une vitesse de 400 tr/min pendant 2 h avec de l'arGon (Ar) comme atmosphère protectrice. Les poudres composites préparées avec des rapports massiques entre Cu et PMMA de 10 : 0,1, 10 : 0,2 et 10 : 0,3 ont été respectivement désignées PMMA/Cu-1, PMMA/Cu-2 et PMMA/Cu-3.

Ensuite, les poudres composites PMMA/Cu ont été placées dans un four tubulaire en quartz (préchauffé à 800 °C) et calcinées pendant 10 min et refroidies rapidement à température ambiante à l'air. L'ensemble du processus de calcination a été conduit sous une atmosphère d'Ar (200 ml/min) et de H2 (100 ml/min). Après calcination, les poudres composites ont ensuite été désignées respectivement graphène/Cu-1, graphène/Cu-2 et graphène/Cu-3. Les poudres composites graphène/Cu ont ensuite été placées dans une matrice en graphite et pressées à chaud dans des échantillons de ϕ45 × 3 mm3 sous vide (inférieur à 10−4 MPa) en utilisant une pression de 50 MPa à 800 °C pendant 1 h. À titre de comparaison, un échantillon en vrac de Cu pur a également été fabriqué par le même procédé.

Les morphologies des poudres de Cu pur, PMMA/Cu et graphène/Cu ont été observées à l'aide d'un microscope électronique à balayage (SEM, HITACHI S4800). Des feuilles minces pour les observations TEM ont été préparées par électro-polissage à double jet à 100 mA dans une solution d'acide nitrique à 30% et de méthanol à 70% refroidie à -30 ° C et observées sur un microscope électronique à transmission JEM-2100F (TEM), Le microscope électronique à transmission haute résolution JEM-2100F a été utilisé pour caractériser la morphologie du graphène. Un spectromètre micro-Raman (Renishaw, microscope inVia) avec un laser à 532 nm a été utilisé pour étudier la qualité du graphène développé à partir de PMMA. Les diagrammes de diffraction des rayons X sur poudre (XRD) ont été enregistrés à l'aide d'un diffractomètre Rigaku D/max avec un rayonnement Cu Kα à une longueur d'onde de 1,5406 Å. L'analyse thermogravimétrique a été réalisée sur un analyseur thermogravimétrique TGA 9000. Des tests de dureté Vickers ont été effectués sur une machine EveroneMH-6. Des échantillons d'essai de traction ont été usinés en éprouvettes d'une taille de 17 × 5 × 2 mm3 et des essais de traction ont été effectués sur une machine d'essai universelle électronique CSS-44100 avec une vitesse de chargement de 1 mm/min.

Comment citer cet article : Chen, Y. et al. Fabrication de composites à matrice de Cu renforcés de graphène cultivés in situ. Sci. Rep. 6, 19363; doi : 10.1038/srep19363 (2016).

Park, S. & Ruoff, RS Méthodes chimiques pour la production de graphènes. Nature Nanotech. 4, 217-224 (2009).

Article CAS ADS Google Scholar

Lee, C., Wei, XD, Kysar, JW & Hone, J. Mesure des propriétés élastiques et de la résistance intrinsèque du graphène monocouche. Science. 321, 385–388 (2008).

Article CAS ADS Google Scholar

Ruan, GD, Sun, ZZ, Peng, ZW & Tour, JM Croissance du graphène à partir des aliments, des insectes et des déchets. Acs Nano. 5, 7601–7607 (2011).

Article CAS Google Scholar

Sun, ZZ et al. Croissance du graphène à partir de sources de carbone solides. Nature. 468, 549–552 (2010).

Article CAS ADS Google Scholar

Li, ZC et al. Croissance à basse température du graphène par dépôt chimique en phase vapeur à l'aide de sources de carbone solides et liquides. Acs Nano. 5, 3385–3390 (2011).

Article CAS Google Scholar

Li, D., Müller, MB, Gilje, S., Kaner, RB & Wallace, GG Dispersions aqueuses transformables de nanofeuilles de graphène. Nature Nanotech. 3, 101–105 (2008).

Article CAS ADS Google Scholar

Pérez-Bustamante, R., Bolaños-Morales, D., Bonilla-Martínez, J., Estrada-Guel, I. & Martínez-Sánchez, R. Comportement de la microstructure et de la dureté des composites graphène-nanoplaquettes/aluminium synthétisés par alliage mécanique. J Alliage Compd. 615, 578–582 (2014).

Article Google Scholar

Tang, YX, Yang, XM, Wang, RR & Li, MX Amélioration des propriétés mécaniques des composites graphène-cuivre avec des hybrides graphène-nickel. Mater Sci Eng A. 599, 247–254 (2014).

Article CAS Google Scholar

Yang, YC, Rigdon, W., Huang, XY & Li, XD Amélioration du potentiel de renforcement du graphène dans les composites par dispersion induite par la passivation de l'hydrogène. Sci Rep. 3 (2012), 10.1038/srep02086.

Xu, ZS et al. Préparation et propriétés tribologiques de composites à matrice TiAl renforcés par du graphène multicouche. Carbone. 67, 168-177 (2014).

Article CAS Google Scholar

Bastwrosa, M. et al. Effet du broyage à billes sur le composite Al6061 renforcé de graphène fabriqué par frittage semi-solide. Composites B. 60, 111-118 (2014).

Article Google Scholar

Choi, SM, Seo, MH, Kim, H. & Kim, WB Synthèse et caractérisation de nanoparticules métalliques supportées par du graphène par méthode d'imprégnation avec traitement thermique en atmosphère H2. Synthétique Met. 161, 2405-2411 (2011).

Article CAS Google Scholar

Bartolucci, SF et al. Nanocomposites graphène-aluminium. Mater Sci Eng A. 528, 7933–7937 (2011).

Article CAS Google Scholar

Hwang, J. et al. Propriétés mécaniques améliorées des nanocomposites graphène/cuivre à l'aide d'un processus de mélange au niveau moléculaire. Adv Mater. 25, 6274–6279 (2013).

Google Scholar

Li, JL et al. Microstructure et propriétés de traction de composites aluminium/graphène nanostructurés en vrac préparés par cryobroyage. Mater Sci Eng A. 626, 400–405 (2015).

Article CAS Google Scholar

Chu, K. & Jia, CC Résistance accrue des composites graphène-cuivre en vrac. Phys Status Solidi A. 211, 184–190 (2014).

Article CAS ADS Google Scholar

Kim, WJ, Lee, TJ & Han, SH Composites multicouches de graphène/cuivre : Préparation utilisant un roulement à vitesse différentielle à rapport élevé, une microstructure et des propriétés mécaniques. Carbone. 69, 55-65 (2014).

Article CAS Google Scholar

Shin, SE, Choi, HJ, Shin, JH & Bae, DH Comportement de renforcement des composites graphène/aluminium à quelques couches. Carbone. 82, 143–51 (2015).

Article CAS Google Scholar

Li, Z. et al. Dispersion uniforme d'oxyde de graphène dans de la poudre d'aluminium par adsorption électrostatique directe pour la fabrication de composites graphène/aluminium. Nature Nanotech. 25 (2014), 10.1088/0957-4484/25/32/325601.

Yan, SJ et al. Étude d'un alliage d'aluminium renforcé par des nanoflakes de graphène. Mater Sci Eng A. 612, 440–444 (2014).

Article CAS Google Scholar

Pavithra, CLP, Sarada, BV, Rajulapati, KV, Rao, TN et Sundararajan, G. Une nouvelle approche électrochimique pour la synthèse de feuilles nanocomposites cuivre-graphène à haute dureté. Sci Rep. 4 (2014), 10.1038/srep04049.

Wang, JY et al. Renforcement avec des nanofeuilles de graphène dans des composites à matrice aluminium. Scr Mater. 66, 594-597 (2012).

Article CAS Google Scholar

Ferrari, AC et al. Spectre Raman du graphène et des couches de graphène. Phys Rev Lett. 97 (2006), 10.1103/PhysRevLett.97.187401.

Lui, CN et al. Une approche pour obtenir des nanotubes de carbone dispersés de manière homogène dans des poudres d'Al pour la préparation de composites renforcés à matrice Al. Adv Mater. 19, 1128-1132 (2007).

Article CAS Google Scholar

Xiong, DB et al. Nacre Artificielle De Graphène Et De Cuivre Fabriquée Par Un Procédé D'imprégnation De Préforme: Stratégie Bioinspirée Pour Le Renforcement-Durcissement Du Composite À Matrice Métallique. ACS NANO. 9, 6934–6943 (2015).

Article CAS Google Scholar

Rafiee, MA et al. Propriétés mécaniques améliorées des nanocomposites à faible teneur en graphène. ACS NANO. 3, 3883–3390 (2009).

Article Google Scholar

Qian, D., Dickey, EC, Andrews, R. & Rantell, T. Mécanismes de transfert de charge et de déformation dans les composites nanotubes de carbone-polystyrène. Appl Phys Lett. 76, 2868–2870 (2000).

Article CAS ADS Google Scholar

Zhang, JX et al. Réseaux de dislocations interfaciales renforçant un superalliage monocristallin TMS-138 de quatrième génération. Metall Mater Trans A. 33, 3741–3746 (2002).

Article Google Scholar

Schuh, CA, Nieh, TG & Iwasaki, H. L'effet des ajouts de solution solide W sur les propriétés mécaniques du Ni nanocristallin. Acta Mater. 51, 431-433 (2003).

Article CAS Google Scholar

Huang, SY et al. Mécanismes de déformation dans un superalliage ferritique renforcé par précipitation révélés par des études de diffraction neutronique in situ à des températures élevées. Acta Mater. 83, 137-148 (2015).

Article CAS Google Scholar

Greer, AL, Bunn, AM, Tronche, A., Evans, PV & Bristow, DJ Modélisation de l'inoculation de magmas métalliques : application au raffinement du grain de l'aluminium par Al. Acta Mater. 48, 2823–2835 (2000).

Article CAS Google Scholar

Gao L., Guest, JR & Guisinger, NP Graphène épitaxial sur Cu (111). Nano Lett. 10, 3512–3516 (2010).

Article CAS ADS Google Scholar

Xu ZP & Buehler, MJ Structure et mécanique de l'interface entre le graphène et les substrats métalliques : une étude des premiers principes. J Phys Condens Matter. 22, (2010), 10.1088/0953-8984/22/48/485301.

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Les auteurs reconnaissent le soutien financier de la National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51531004).

Laboratoire clé des matériaux composites et fonctionnels, École des sciences et de l'ingénierie des matériaux, Université de Tianjin, 300072, Tianjin, Chine

Yakun Chen, Xiang Zhang, Enzuo Liu, Chunnian He, Chunsheng Shi, Jiajun Li et Naiqin Zhao

Centre d'innovation collaborative des sciences et de l'ingénierie chimiques, Université de Tianjin, 300072, Tianjin, Chine

Enzuo Liu, Chunnian He et Naiqin Zhao

Centre de technologie de traitement thermique, Illinois Institute of Technology, Chicago, 60616, Illinois, États-Unis

Philippe Nash

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Les auteurs déclarent une absence d'intérêts financiers en compétition.

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Réimpressions et autorisations

Chen, Y., Zhang, X., Liu, E. et al. Fabrication de composites à matrice de Cu renforcés de graphène cultivés in situ. Sci Rep 6, 19363 (2016). https://doi.org/10.1038/srep19363

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Reçu : 30 septembre 2015

Accepté : 11 décembre 2015

Publié: 14 janvier 2016

DOI : https://doi.org/10.1038/srep19363

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