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

2021-06-24 14:12:22 作者：材料學網來源：材料學網分享至：

導讀：石墨烯作為用于摩擦學應用的金屬基復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注。石墨烯本身具有很強的各向異性物理和機械性能，但其在金屬基體中的取向如何影響復合材料的摩擦磨損性能仍有待探索。本文成功制造石墨烯/銅基層壓復合材料，通過實驗和有限元模擬系統地研究了石墨烯取向對復合材料摩擦磨損性能的影響。摩擦測試結果表明，僅使用~0.2 vol% 的石墨烯，在層壓復合材料中，耐磨性的最大各向異性比高達 100 倍。機理分析表明，關于石墨烯取向研究的三個不同滑動方向的磨損機制是由石墨烯對 Cu 基體的強化、石墨烯的潤滑作用和界面分層之間的競爭決定的。由于協同效應，摩擦系數最低（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石墨烯的強化和潤滑作用；而界面分層導致在平面內滑動時耐磨性最低（約為純銅的十分之一）。

摩擦和磨損性能的改進對于提高機械壽命和能源效率具有重要意義。目前已經開發了大量方法減少摩擦（COF）的系數和提高的耐磨性，如加強/硬化材料，以提高材料摩擦學性質，微觀結構和界面設計，表面涂層并添加潤滑劑等等。由于層間結合力較弱，從而產生潤滑作用，因此具有二維層狀結構的材料，如石墨和 MoS2，廣泛用于摩擦學應用。然而，MoS 2 中的活性元素硫對銅等一些金屬有腐蝕性，必須使用額外的防腐添加劑。此外，MoS2是一種低導熱性的半導體，引入MoS 2作為增強劑通常會降低金屬的導熱性，不利于摩擦產生的熱量的消散。盡管石墨具有高化學穩定性和高導熱性，但將石墨摻入金屬中通常會顯著降低金屬的強度和塑性。

石墨烯自發現以來就引起了廣泛的關注。由于其優異的機械、物理和化學性能，石墨烯一直被認為是摩擦學應用中一種很有前途的材料，以增強、涂層和添加劑的形式出現。如在金屬基復合材料的增強，石墨烯可通過阻止位錯運動加強金屬，負載支承，界面強化和晶粒細化等等。此外，石墨烯在分散良好的情況下具有比其他常規填料高得多的強化效率。石墨烯可以通過制備石墨烯-金屬基復合材料來有效增強金屬的耐磨性。更重要的是，石墨烯在納米復合材料中表現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惰性，對環境不敏感，在干濕條件下均能發揮良好的潤滑作用；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。

廣泛的研究已經致力于通過將石墨烯作為增強[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特性而言，必須綜合考慮金屬基體中石墨烯取向對復合材料摩擦磨損行為的影響，因為每個因素可能具有不同甚至相反的取向依賴性。例如，眾所周知，當載荷施加在平面內時，石墨烯表現出最高的強化效果，而潤滑效果最重要，因為載荷垂直于石墨烯片。那么問題是石墨烯取向如何影響石墨烯/金屬基復合材料的摩擦學特性。然而，這個重要的話題至今仍未被探索。

在此，上海交通大學材料科學與工程學院張荻教授團隊通過將石墨烯封裝的銅微薄片組裝成塊狀復合材料，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）復合材料（圖 1）一種）。通過考慮相對于層狀結構的滑動方向和石墨烯取向，研究了所生產的 Gr/Cu 復合材料的摩擦和磨損性能。結果表明，Cu 基體中的石墨烯取向對摩擦學性能有顯著影響，導致顯著的各向異性耐磨性，即使在只有約 0.2 vol% 石墨烯的復合材料中，其差異高達一百倍。相關研究成果以題“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

作者已經通過實驗和理論方法研究了 Cu 基體中石墨烯取向對石墨烯增強 Cu 基體（Gr/Cu）復合材料摩擦和磨損性能的影響，沿著相對于石墨烯層的三個主要滑動方向，約 0.2 vol% Gr/Cu 層壓復合材料。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構。

盡管石墨烯的含量僅為~0.2 vol% 石墨烯，但 Gr/Cu 層壓復合材料顯示出顯著的各向異性耐磨性，最大差異高達 100 倍。在垂直于石墨烯邊緣的滑動方向（CS-V）的橫截面上獲得最低的比磨損率，而在面內滑動方向（IP）上測得的比磨損率最高，甚至更糟純銅對應物。

圖1。（a）具有層狀結構的 Gr/Cu 復合材料的示意圖，以及（b）面內和（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。摩擦測試和微觀結構表征的示意圖。（a）在三個滑動方向（SD）上對層壓結構進行摩擦測試：在面內（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 系統在垂直于滑動表面并平行于滑動方向的磨損軌跡中切割來制備的。

由于滑動方向平行于 Gr/Cu 層狀復合材料中的石墨烯邊緣，石墨烯沒有起到明顯的潤滑作用。當滑動方向平行于少層石墨烯片時，層間分層抑制了石墨烯的潤滑作用。宏觀試樣的拉伸測試旨在測量 Gr/Cu 界面結合強度，還研究了石墨烯層數對界面結合強度的影響。在幾層石墨烯增強的 Gr/Cu 層狀復合材料中，石墨烯的層間分層是界面的最薄弱點，因為垂直于 Gr/Cu 層狀的拉伸載荷或平行于它的剪切力。單層-石墨烯-Cu的界面結合強度與純Cu的強度相當，但加入少層石墨烯片后，其界面結合強度降低了一半以上。

圖3。（a） IP、CS-P和CS-V三個滑動方向的摩擦系數（COF）和（b）比磨損率（SWR）；（c）測量 Gr/Cu 層壓復合材料的完整面內（IP）和橫截面（CS）表面的硬度。顯示純銅對應物的數據用于比較。

圖 4。（a 1 -a 4 ） IP、（b 1 -b 4 ） CS-P 和（c 1 -c 4 ） CS-V三個滑動方向的磨損軌跡和碎屑的平面視圖形態。（a 1 -c 1 ）共聚焦顯微鏡的表面地形面積掃描和相應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滑動方向的FIB橫截面切片的TKD和TEM圖像。對于每個樣品，TKD 的特征區域與 TEM 的特征區域幾乎但不完全相同，因為它們是在兩種不同的儀器上進行的。

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）用于定量測量 Gr-Cu 界面結合強度的拉伸試樣示意圖，其中一側生長的具有不同石墨烯層數的 Gr/Cu 箔通過熱壓工藝夾在兩個 Cu 基質之間，傾斜與拉伸方向成 45° 角；（b）不同石墨烯層數n （ n ?= 1, 3-5, 6-8, 10）的試樣的拉伸應力-應變曲線和純銅基體的強度也給出了比較。

圖 8。有限元模擬的結果，包括兩個應力云和損壞用于：（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發生分層失敗；（c 2 ） CS-V 磨損軌跡下方結構的 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 三個滑動方向的建議磨損機制圖。

三個滑動方向的磨損機制由石墨烯強化、石墨烯潤滑作用和界面分層之間的競爭決定。由于面內表面（IP）上的滑動摩擦，磨損機制以界面分層為主；在橫截面上，石墨烯對Cu基體的強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，而石墨烯的協同強化和潤滑作用決定了其優異的耐磨性在垂直于石墨烯邊緣（CS-V）的滑動方向上。

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