超细晶graphene/Cu材料累积叠轧过程中组织演变机制和强化机制

Graphene reinforced copper matrix composites have been considered as the potential copper materials with high strength and high conductivity. Up to now very limited studied have been focused on the graphene/metal composite materials, because of the difficulty of dispersion and interfacial bonding. Here, the ultra-fine grain graphene/Cu composites were fabricated by accumulative roll bonding (ARB). Microstructure evolution and interfacial bonding of ultra-fine grain graphene/Cu composites were studied in order to reveal grain refinement mechanism and deformation mechanism. Microhardness and tensile behavior were investigated to described the effects of severe plastic deformation and grapheme on the strengthening mechanism. Combination properties of graphene/Cu composites were increased by building relationships of ARB process, microstructure, mechanical properties. It is of great significances in theory and practice to develop the new type of copper matrix composites.

石墨烯增强铜基复合材料被认为是一种十分具有潜力的高强度、高导电性的铜材料。本项目针对石墨烯在金属基体中分散性差和石墨烯-金属基体界面结合强度低的问题，通过累积叠轧制备超细晶graphene/Cu复合材料，改善和提升材料的综合性能。研究累积叠轧过程中超细晶结构和层界面组织的形成和演化规律，揭示超细晶结构的晶粒细化机制和变形机制；研究其硬度和拉伸性能及破坏形式，探索累积叠轧过程中大塑性变形和石墨烯对材料硬度和强度的影响规律，结合微观组织分析，阐明超细晶graphene/Cu材料的强化机制。构建ARB制备工艺-微观结构演化-变形机制-力学行为-强化机制之间的内在联系，探索改善graphene/Cu复合材料力学性能的途径。为研发新型高性能铜基复合材料提供必要的理论依据和技术储备。

随着机器制造、电子通讯、轨道交通、仪表仪器及军工等行业的快速发展，人们对铜及其合金的强度、导电、导热及疲劳等性能要求越来越高。石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能，这些优良的特性，使其具有广泛的应用范围和很好的应用前景，作为增强相，石墨烯可以显著地提高金属材料的力学性能。然而，石墨烯在基体材料中分散困难，限制了石墨烯增强金属基复合材料的应用。本项目利用累积叠轧技术制备高强度、高导电性的石墨烯增强铜基复合材料。研究累积叠轧过程中超细晶结构的形成和演化规律，揭示超细晶结构的晶粒细化机制和变形机制；研究其硬度和拉伸性能及破坏形式，探索累积叠轧过程中大塑性变形和石墨烯对材料硬度和强度的影响规律，阐明超细晶石墨烯/铜复合材料的强化机制。.结果表明：累积叠轧后，石墨烯-铜界面实现了机械结合，铜晶粒发生了明显的细化，累积叠轧6道次后，石墨烯增强铜基复合材料的晶粒尺寸达到150-200 nm，获得了超细晶材料，添加石墨烯的复合材料的晶粒明显小于纯铜的。累积叠轧复合材料的变形机制是位错运动和孪生变形。石墨烯/铜复合材料经累积叠轧后硬度和强度比退火铜显著提高，8道次轧制过的石墨烯/铜复合材料的拉伸强度为500 MPa，比分别为退火态铜和轧制后的纯铜分别高280 MPa和40 MPa。随着叠轧道次的增加，叠轧铜的延伸率迅速减少，从退火粗晶铜的43%减少到5%左右，拉伸断口处的韧窝逐渐变小变浅，同时也包含一些细小的撕裂棱，表现为混合断裂特征，为剪切韧性断裂。累积叠轧技术不仅可以提高石墨烯在基体中分散性，又提高了复合材料的强度。在此过程中材料经受了强烈的塑性和剪切变形，获得超细晶组织来提升和改善材料的综合性能。本项目构建ARB制备工艺-微观结构演化-变形机制-力学行为-强化机制之间的内在联系，探索改善石墨烯/铜复合材料力学性能的途径。为研发新型高性能铜基复合材料提供必要的理论依据和技术储备。