Synergistische versterking van Cu/Ti₃SiC₂/C nancomposieten met grafeen en MWCNT's: Microstructuur en mechanische prestaties

Samenvatting

Het combineren van eendimensionale multi-walled koolstofnanoröhren (MWCNT's) met tweedimensionaal grafeen creëert een synergistische interface die de dispersie, benettingsbaarheid en binding van versterkingsdeeltjes in een kopermatrix verbetert. Via mechanische legering, vacuüm warmperzen (VHP) en warm isostatisch perzen (HIP) fabriceren we Cu/Ti₃SiC₂/C nancomposieten met varierende verhoudingen van grafeen en MWCNT's. Röntgendiffractie, optische microscopie, SEM, TEM en EPMA onthulden een fijn, goed-gebonden microstructuur. Mechanische testen tonen aan dat de optimale samenstelling—0,8 gew% MWCNT's en 0,2 gew% grafeen—de hoogste hardheid en treksterkte oplevert, dankzij korijnverfijning, ladingsoverdracht, Orowan-versterking en interfaciale adhesie. Deze bevindingen bevestigen dat een dubbele-fase koolstofversterkingsstrategie de prestaties van Cu-gebaseerde composieten aanzienlijk kan verbeteren.

Achtergrond

Koper-graafiet composieten combineren kopers uitstekende geleiding met grafiets zelf-smerende eigenschappen, wat ze aantrekkelijk maakt voor luchtvaart, elektronica en auto-toepassingen. Ti₃SiC₂ voegt hoge-temperatuur stabilisatie, oxidatiewerstand en thermische geleiding toe. Echter, Cu/Ti₃SiC₂/C composieten alleen hinken nog in sterkte en slijtvasteheid. Het introduceren van nanoschalige versterkingen—MWCNT's en grafeen—kan deze eigenschappen verbeteren, maar uitdagingen zoals slechte dispersie, beperkte benettingsbaarheid en zwakke interfaces hebben de vooruitgang gehinderd. Recente studies suggereren dat een hybride van MWCNT's en grafeen een hoog-contactoppervlakte netwerk kan vormen, wat ladingsoverdracht en interfaciale binding verbetert.

Methoden/Experimenteel

Rauwe poeders van Cu, Ti₃SiC₂, graafiet, MWCNT's en grafeen nanoplatelets werden eerst gedispergeerd door ultrasoonde agitatie. Oppervlaktemodificaties werden uitgevoerd met Ar-NH₃ plasma en lage-concentratie Rutine of Galluszuur oplossingen om benettingsbaarheid te verbeteren. Hoog-energie balmahlen (Agate media) mengde de poeders bij een 10:1 massa verhouding met tert-butanol als binder. Het resulterende mengsel werd gedroogd en daarna gesinterd via VHP (950 °C, 20 MPa, 2 uur) gevolgd door HIP (900 °C, 100 MPa, 2 uur). Relatieve dichtheden werden gemeten via Archimedes' principe. Microstructuur werd onderzocht door OM, XRD, SEM/EDS en TEM. Hardheid, compressie en afschuiftests werden uitgevoerd op een universele testmachine bij 0,5 mm/min. Alle data werden vergeleken over samenstellingen van 0,8 gew% grafeen/0,2 gew% MWCNT, 0,5/0,5 en 0,2/0,8.

Resultaten en Discussie

Poeder Microstructuur en Fase Identificatie

SEM-beelden bevestigden dat MWCNT's Cu-deeltjes overbrugden terwijl grafeenlagen zich in de matrix disperseerden, wat agglomeratie reduceerde. XRD-patronen toonden behoud van Cu, Ti₃SiC₂ en graafiet fasen, zonder bewijs van oxidatie of ongewenste reacties. Mechanische legering behield fase-integriteit terwijl intiem contact tussen versterkingen en de kopermatrix bevorderde.

Composiet Microstructuur

Metallografie onthulde een continue Cu-matrix verstrooid met Ti₃SiC₂ korrels en geïsoleerde graafiet of koolstofclusters. Ti₃SiC₂ decomposeerde bij 950 °C tot TiC en Si, het laatste vormende Cu₉Si vaste oplossingen die interfaciale binding verbeteren. EPMA mapping bevestigde uniforme distributie van Cu, Ti, Si, C en La (toegevoegd voor verdichting).

Fase Transformaties Tijdens Sinteren

Thermodynamische analyse bevestigde dat Ti₃SiC₂ → 3TiC₂/₃ + Si (ΔG = ‑106,5 kJ mol⁻¹) spontaan is. Opvolgende reacties (Si + 9Cu → Cu₉Si) en (C + Si → SiC) waren ook exothermisch, wat leidde tot de waargenomen TiC en Cu₉Si fasen in de finale microstructuur.

Mechanische Eigenschappen

Hardheid daalde met slechts ~9% toen grafeen verhoogd werd van 0,5 gew% tot 0,8 gew%, wat aangeeft dat excessieve grafeen agglomeratie en porositeit bevordert. Trek- en druksterkte daalden met ~12% bij 0,8 gew% grafeen, terwijl afschuifsterkte met ~20% afnam—alles consistent met zwakkere interfaciale binding en verhoogde micro-kraakvorming. De optimale 0,8 gew% MWCNT/0,2 gew% grafeen samenstelling vertoonde de hoogste verdichting (≈97% theoretisch) en mechanische prestaties.

Trekbreuk Analyse

SEM van breukoppervlakken toonde typische dimples en scheidingfacetten, met bewijs van grafeen uittrekking en MWCNT fragmentatie. Geagglomereerde grafeenbladen droegen bij aan micro-kraakinitiatie, terwijl goed-gedispergeerde MWCNT's ladingsoverdracht verbeterden. De balans van deze effecten bepaalt de algehele toughness.

Conclusies

1. Vacuüm warmperzen en HIP produceren effectief Cu/Ti₃SiC₂/C composieten versterkt met MWCNT's en grafeen.
2. Synergie ontstaat uit hoge compactheid, homogene dispersie en sterke interfaciale binding.
3. De beste mechanische prestaties worden behaald met 0,8 gew% MWCNT's en 0,2 gew% grafeen; daarbuiten degradeert agglomeratie eigenschappen.
4. Verbeteringen stammen van korijnverfijning, ladingsoverdracht, Orowan en interfaciale versterking.