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上海交大《Acta Materialia》性能差異高達(dá)100倍！制備石墨烯銅基層合材料！

2021-06-24 14:12:22 作者：材料學(xué)網(wǎng) 來源：材料學(xué)網(wǎng) 分享至：

導(dǎo)讀：石墨烯作為用于摩擦學(xué)應(yīng)用的金屬基復(fù)合材料中的一種有前途的新興潤滑劑和添加劑引起了廣泛關(guān)注。石墨烯本身具有很強(qiáng)的各向異性物理和機(jī)械性能，但其在金屬基體中的取向如何影響復(fù)合材料的摩擦磨損性能仍有待探索。本文成功制造石墨烯/銅基層壓復(fù)合材料，通過實(shí)驗(yàn)和有限元模擬系統(tǒng)地研究了石墨烯取向?qū)?fù)合材料摩擦磨損性能的影響。摩擦測(cè)試結(jié)果表明，僅使用~0.2 vol% 的石墨烯，在層壓復(fù)合材料中，耐磨性的最大各向異性比高達(dá) 100 倍。機(jī)理分析表明，關(guān)于石墨烯取向研究的三個(gè)不同滑動(dòng)方向的磨損機(jī)制是由石墨烯對(duì) Cu 基體的強(qiáng)化、石墨烯的潤滑作用和界面分層之間的競(jìng)爭(zhēng)決定的。由于協(xié)同效應(yīng)，摩擦系數(shù)最低（純銅的 77%）和最高的耐磨性（比純銅高 10 倍）被記錄為在垂直于石墨烯邊緣的橫截面上滑動(dòng)石墨烯的強(qiáng)化和潤滑作用；而界面分層導(dǎo)致在平面內(nèi)滑動(dòng)時(shí)耐磨性最低（約為純銅的十分之一）。

摩擦和磨損性能的改進(jìn)對(duì)于提高機(jī)械壽命和能源效率具有重要意義。目前已經(jīng)開發(fā)了大量方法減少摩擦（COF）的系數(shù)和提高的耐磨性，如加強(qiáng)/硬化材料，以提高材料摩擦學(xué)性質(zhì) ，微觀結(jié)構(gòu)和界面設(shè)計(jì)，表面涂層并添加潤滑劑等等。由于層間結(jié)合力較弱，從而產(chǎn)生潤滑作用，因此具有二維層狀結(jié)構(gòu)的材料，如石墨和 MoS2，廣泛用于摩擦學(xué)應(yīng)用。然而，MoS 2 中的活性元素硫?qū)︺~等一些金屬有腐蝕性，必須使用額外的防腐添加劑。此外，MoS2是一種低導(dǎo)熱性的半導(dǎo)體，引入MoS 2作為增強(qiáng)劑通常會(huì)降低金屬的導(dǎo)熱性，不利于摩擦產(chǎn)生的熱量的消散。盡管石墨具有高化學(xué)穩(wěn)定性和高導(dǎo)熱性，但將石墨摻入金屬中通常會(huì)顯著降低金屬的強(qiáng)度和塑性。

石墨烯自發(fā)現(xiàn)以來就引起了廣泛的關(guān)注。由于其優(yōu)異的機(jī)械、物理和化學(xué)性能，石墨烯一直被認(rèn)為是摩擦學(xué)應(yīng)用中一種很有前途的材料，以增強(qiáng)、涂層和添加劑的形式出現(xiàn)。如在金屬基復(fù)合材料的增強(qiáng)，石墨烯可通過阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)金屬，負(fù)載支承，界面強(qiáng)化和晶粒細(xì)化等等。此外，石墨烯在分散良好的情況下具有比其他常規(guī)填料高得多的強(qiáng)化效率。石墨烯可以通過制備石墨烯-金屬基復(fù)合材料來有效增強(qiáng)金屬的耐磨性。更重要的是，石墨烯在納米復(fù)合材料中表現(xiàn)出明顯的自潤滑作用，顯著降低了 COF 值，從而降低了磨損率。此外，石墨烯具有較高的化學(xué)惰性，對(duì)環(huán)境不敏感，在干濕條件下均能發(fā)揮良好的潤滑作用；石墨烯不透水或氧氣等液體和氣體，可以有效減緩摩擦表面的腐蝕和氧化過程。

廣泛的研究已經(jīng)致力于通過將石墨烯作為增強(qiáng)[以改善金屬的摩擦性能。值得注意的是，石墨烯是一種二維材料，在面內(nèi)和面外的方向上都具有顯著的各向異性。就多因素耦合摩擦學(xué)特性而言，必須綜合考慮金屬基體中石墨烯取向?qū)?fù)合材料摩擦磨損行為的影響，因?yàn)槊總€(gè)因素可能具有不同甚至相反的取向依賴性。例如，眾所周知，當(dāng)載荷施加在平面內(nèi)時(shí)，石墨烯表現(xiàn)出最高的強(qiáng)化效果，而潤滑效果最重要，因?yàn)檩d荷垂直于石墨烯片。那么問題是石墨烯取向如何影響石墨烯/金屬基復(fù)合材料的摩擦學(xué)特性。然而，這個(gè)重要的話題至今仍未被探索。

在此，上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院張荻教授團(tuán)隊(duì)通過將石墨烯封裝的銅微薄片組裝成塊狀復(fù)合材料，其中石墨烯片和銅薄片交替排列，成功地制造了典型的層壓石墨烯/銅基（Gr/Cu）復(fù)合材料（圖 1）一種）。通過考慮相對(duì)于層狀結(jié)構(gòu)的滑動(dòng)方向和石墨烯取向，研究了所生產(chǎn)的 Gr/Cu 復(fù)合材料的摩擦和磨損性能。結(jié)果表明，Cu 基體中的石墨烯取向?qū)δΣ翆W(xué)性能有顯著影響，導(dǎo)致顯著的各向異性耐磨性，即使在只有約 0.2 vol% 石墨烯的復(fù)合材料中，其差異高達(dá)一百倍。相關(guān)研究成果以題“Remarkable anisotropic wear resistance with 100-fold discrepancy in a copper matrix laminated composite with only 0.2 vol% graphene”發(fā)表在金屬頂刊Acta Materialia 上

論文鏈接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645421004729

作者已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)和理論方法研究了 Cu 基體中石墨烯取向?qū)κ┰鰪?qiáng) Cu 基體（Gr/Cu）復(fù)合材料摩擦和磨損性能的影響，沿著相對(duì)于石墨烯層的三個(gè)主要滑動(dòng)方向，約 0.2 vol% Gr/Cu 層壓復(fù)合材料。使用 SEM/FIB 雙光束顯微鏡、TKD、PED、TEM 和 HRTEM 檢查磨損軌跡以及磨損表面下方的微觀結(jié)構(gòu)。

盡管石墨烯的含量?jī)H為~0.2 vol% 石墨烯，但 Gr/Cu 層壓復(fù)合材料顯示出顯著的各向異性耐磨性，最大差異高達(dá) 100 倍。在垂直于石墨烯邊緣的滑動(dòng)方向（CS-V）的橫截面上獲得最低的比磨損率，而在面內(nèi)滑動(dòng)方向（IP）上測(cè)得的比磨損率最高，甚至更糟純銅對(duì)應(yīng)物。

圖1。（a）具有層狀結(jié)構(gòu)的 Gr/Cu 復(fù)合材料的示意圖，以及（b）面內(nèi)和（c）截面表面上晶體取向和晶界映射的 EBSD 圖案；（d）典型 Gr/Cu 界面的 TEM 圖像。

圖2。摩擦測(cè)試和微觀結(jié)構(gòu)表征的示意圖。（a）在三個(gè)滑動(dòng)方向（SD）上對(duì)層壓結(jié)構(gòu)進(jìn)行摩擦測(cè)試：在面內(nèi) （IP）表面上，平行（CS-P）和垂直（CS-V）到薄片（即石墨烯邊緣）在橫截面（CS）表面上；（b） TEM 樣品是通過使用 FIB 系統(tǒng)在垂直于滑動(dòng)表面并平行于滑動(dòng)方向的磨損軌跡中切割來制備的。

由于滑動(dòng)方向平行于 Gr/Cu 層狀復(fù)合材料中的石墨烯邊緣，石墨烯沒有起到明顯的潤滑作用。當(dāng)滑動(dòng)方向平行于少層石墨烯片時(shí)，層間分層抑制了石墨烯的潤滑作用。宏觀試樣的拉伸測(cè)試旨在測(cè)量 Gr/Cu 界面結(jié)合強(qiáng)度，還研究了石墨烯層數(shù)對(duì)界面結(jié)合強(qiáng)度的影響。在幾層石墨烯增強(qiáng)的 Gr/Cu 層狀復(fù)合材料中，石墨烯的層間分層是界面的最薄弱點(diǎn)，因?yàn)榇怪庇?Gr/Cu 層狀的拉伸載荷或平行于它的剪切力。單層-石墨烯-Cu的界面結(jié)合強(qiáng)度與純Cu的強(qiáng)度相當(dāng)，但加入少層石墨烯片后，其界面結(jié)合強(qiáng)度降低了一半以上。

圖3。（a） IP、CS-P和CS-V三個(gè)滑動(dòng)方向的摩擦系數(shù)（COF）和（b）比磨損率（SWR）；（c）測(cè)量 Gr/Cu 層壓復(fù)合材料的完整面內(nèi) （IP）和橫截面（CS）表面的硬度。顯示純銅對(duì)應(yīng)物的數(shù)據(jù)用于比較。

圖 4。（a 1 -a 4 ） IP、（b 1 -b 4 ） CS-P 和（c 1 -c 4 ） CS-V三個(gè)滑動(dòng)方向的磨損軌跡和碎屑的平面視圖形態(tài)。（a 1 -c 1 ）共聚焦顯微鏡的表面地形面積掃描和相應(yīng)的代表性橫向橫截面磨損深度圖；（a 2 -c 2和a 3 -c 3 ）磨損軌跡中間低倍和高倍的SEM圖像，在（b 2）中可以觀察到白色箭頭指示的剝離失敗）為 CS-P 方向；（d）（a 4 ） IP 方向上的分層薄片磨屑和（b 4 ） CS-P 和（c 4 ） CS-V 方向上的顆粒的SEM 圖像。

圖 5。（a 1 ,a 2 ） IP、（b 1 ,b 2 ） CS-H和（c 1 ,c 2 ） CS-V滑動(dòng)方向的FIB橫截面切片的TKD和TEM圖像。對(duì)于每個(gè)樣品，TKD 的特征區(qū)域與 TEM 的特征區(qū)域幾乎但不完全相同，因?yàn)樗鼈兪窃趦煞N不同的儀器上進(jìn)行的。

圖 6。FIB 橫截面切片中表面附近 NC 層的表征：（a 1 -c 1 ） HR-TEM 圖像和（a 2 -c 2 ） TEM 中滑動(dòng)方向的電子衍射（PED）（ a 1 ,a 2 ） IP、（b 1 ,b 2 ） CS-H 和（c 1 ,c 2 ） CS-V。

圖 7。（a）用于定量測(cè)量 Gr-Cu 界面結(jié)合強(qiáng)度的拉伸試樣示意圖，其中一側(cè)生長的具有不同石墨烯層數(shù)的 Gr/Cu 箔通過熱壓工藝夾在兩個(gè) Cu 基質(zhì)之間，傾斜與拉伸方向成 45° 角；（b）不同石墨烯層數(shù)n （ n ?= 1, 3-5, 6-8, 10）的試樣的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線和純銅基體的強(qiáng)度也給出了比較。

圖 8。有限元模擬的結(jié)果，包括兩個(gè)應(yīng)力云和損壞用于：（a 1 -a 2）IP，（b）中的CS-P和（c 1）CS-V，和（a 2）的放大紅色矩形的在圖（a 1 ）表示IP發(fā)生分層失??；（c 2 ） CS-V 磨損軌跡下方結(jié)構(gòu)的 EBSD 圖案，顯示具有一定傾角的塑性變形層（PDL）。

圖 9。（a） IP, （b） CS-P 和（c） CS-V 三個(gè)滑動(dòng)方向的建議磨損機(jī)制圖。

三個(gè)滑動(dòng)方向的磨損機(jī)制由石墨烯強(qiáng)化、石墨烯潤滑作用和界面分層之間的競(jìng)爭(zhēng)決定。由于面內(nèi)表面（IP）上的滑動(dòng)摩擦，磨損機(jī)制以界面分層為主；在橫截面上，石墨烯對(duì)Cu基體的強(qiáng)化作用是耐磨性提高的主要原因，平行于石墨烯邊緣（CS-P）滑動(dòng)，而石墨烯的協(xié)同強(qiáng)化和潤滑作用決定了其優(yōu)異的耐磨性在垂直于石墨烯邊緣（CS-V）的滑動(dòng)方向上。

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