Синергетическое усиление Cu/Ti₃SiC₂/C нанокомпозитов графеном и МНУТ: микроструктура и механические свойства

Аннотация

Комбинирование одномерных многостенных углеродных нанотрубок (МНУТ) с двумерным графеном создает синергетический интерфейс, улучшающий дисперсию, смачиваемость и связывание усиливающих частиц в медной матрице. Используя механическое легирование, вакуумное горячее прессование (VHP) и горячее изостатическое прессование (HIP), мы изготовили Cu/Ti₃SiC₂/C нанокомпозиты с варьирующими соотношениями графена и МНУТ. Рентгеновская дифракция, оптическая микроскопия, SEM, TEM и EPMA раскрыли тонкую, хорошо связанную микроструктуру. Механические тесты показали, что оптимальный состав — 0,8 масс.% МНУТ и 0,2 масс.% графена — обеспечивает наивысшую твердость и предел прочности на растяжение, благодаря измельчению зерен, переносу нагрузки, усилению Орована и межфазному адгезиванию. Эти выводы подтверждают, что стратегия двойного углеродного усиления может заметно улучшить свойства Cu-основанных композитов.

Введение

Медно-графитовые композиты сочетают отличную проводимость меди с само смазывающими свойствами графита, делая их привлекательными для авиакосмической, электронной и автомобильной промышленности. Ti₃SiC₂ добавляет высокую температурную стабильность, окислительную стойкость и теплопроводность. Однако Cu/Ti₃SiC₂/C композиты в одиночку все еще отстают в прочности и износостойкости. Введение наномасштабных усилителей — МНУТ и графен — может улучшить эти свойства, но проблемы, такие как плохая дисперсия, ограниченная смачиваемость и слабые интерфейсы, препятствовали прогрессу. Недавние исследования предполагают, что гибрид МНУТ и графена может формировать сеть с высокой площадью контакта, улучшая перенос нагрузки и межфазное связывание.

Методы/Экспериментальная часть

Исходные порошки Cu, Ti₃SiC₂, графита, МНУТ и графеновых нанопластинок сначала диспергировали ультразвуковой агитацией. Поверхностные модификации выполняли Ar–NH₃ плазмой и растворами низкой концентрации Рутина или Галловой кислоты для улучшения смачиваемости. Высокоэнергетическое шаровое фрезерование (агатовые тела) смешивало порошки при массовом соотношении 10:1 с терт-бутиловым спиртом как связующим. Полученную смесь сушили и затем спекли через VHP (950 °C, 20 МПа, 2 ч) с последующим HIP (900 °C, 100 МПа, 2 ч). Относительные плотности измеряли по Архимедову принципу. Микроструктуру изучали OM, XRD, SEM/EDS и TEM. Твердость, сжатие и сдвиг тестировали на универсальной испытательной машине при 0,5 мм/мин. Все данные сравнивали по составам 0,8 масс.% графен/0,2 масс.% МНУТ, 0,5/0,5 и 0,2/0,8.

Результаты и обсуждение

Микроструктура порошков и фазовая идентификация

SEM изображения подтвердили, что МНУТ мостикуют Cu частицы, в то время как графеновые слои диспергируют в матрице, уменьшая агломерацию. XRD паттерны показали сохранение фаз Cu, Ti₃SiC₂ и графита, без свидетельств окисления или нежелательных реакций. Механическое легирование сохранило фазовую целостность, в то время как способствовало интимному контакту между усилителями и медной матрицей.

Микроструктура композита

Металлография раскрыла непрерывную Cu матрицу, перемежающуюся с зернами Ti₃SiC₂ и изолированными графитовыми или углеродными кластерами. Ti₃SiC₂ декомпозировался при 950 °C на TiC и Si, последний формируя твердые растворы Cu₉Si, улучшающие межфазное связывание. EPMA маппинг подтвердил равномерное распределение Cu, Ti, Si, C и La (добавленного для уплотнения).

Фазовые трансформации при спекании

Термодинамический анализ подтвердил, что Ti₃SiC₂ → 3TiC₂/₃ + Si (ΔG = −106,5 кДж моль⁻¹) спонтанен. Последующие реакции (Si + 9Cu → Cu₉Si) и (C + Si → SiC) также были экзотермическими, приводя к наблюдаемым TiC и Cu₉Si фазам в итоговой микроструктуре.

Механические свойства

Твердость снижалась лишь на ~9% при увеличении графена с 0,5 масс.% до 0,8 масс.%, указывая на то, что избыточный графен способствует агломерации и пористости. Пределы прочности на растяжение и сжатие снижались на ~12% при 0,8 масс.% графена, в то время как сдвиговая прочность уменьшалась на ~20% — все согласуется с более слабым межфазным связыванием и увеличением микротрещин. Оптимальный состав 0,8 масс.% МНУТ/0,2 масс.% графен демонстрировал наивысшую уплотненность (≈97% теоретической) и механическую производительность.

Анализ растяжного разрушения

SEM поверхностей разлома показал типичные впадины и расщепительные фасеты, с доказательствами вытягивания графена и фрагментации МНУТ. Агломератированные графеновые листы способствовали инициированию микротрещин, в то время как хорошо распределенные МНУТ улучшали перенос нагрузки. Баланс этих эффектов определяет общую вязкость.

Заключение

1. Вакуумное горячее прессование и HIP эффективно производят Cu/Ti₃SiC₂/C композиты, усиленные МНУТ и графеном.
2. Синергетизм возникает от высокой компактности, однородной дисперсии и сильного межфазного связывания.
3. Лучшая механическая производительность достигается при 0,8 масс.% МНУТ и 0,2 масс.% графена; за пределами этого агломерация деградирует свойства.
4. Улучшения исходят из измельчения зерен, переноса нагрузки, усиления Орована и межфазного усиления.