Recent Progress on the Dispersion and the Strengthening Effect of Carbon Nanotubes and Graphene-Reinforced Metal Nanocomposites: A Review

Recent Advances and Future Prospects in Spark Plasma Sintered Alumina Hybrid Nanocomposites

“…The discovery of CNTs and GNPs has encouraged researchers to develop conductive polymer matrix composites (PMCs) [106]. The successful production of PMCs and their use in many practical applications has stimulated scientists to incorporate C-nanofillers in metallic matrices for improving their mechanical, physical, thermal, electrical, and magnetic properties [107]. However, extensive progress has not been thoroughly made to develop conductive ceramic composites (CCMs) and hybrid composites.…”

Preparation and Mechanical Property of Graphene-reinforced Copper Matrix Composites

“…5 Schematic representation of fabricating RGrO-and-copper artificial nacre [57] 图 6 三维石墨烯网格/铜复合材料的制备过程示意图 [58] Fig. 6 Schematic illustration of the overall production process for 3D GN/Cu composites [58] 第 5 期 林正得, 等: 石墨烯增强铜基复合材料的研究进展 475 2.4 石墨烯增强机理 大量实验研究验证了石墨烯对铜基材料力学性 能的增强作用, 石墨烯增强铜基体的机制也引起了 广泛关注。研究人员定义强化效率 R 以量化增强效 果, 增强相的增强效果与 R 值成正比, 其表达式如 式(1) [28] : [57] 通过预先成型浸渍工艺制备出石墨烯/铜珍珠 层状复合材料, 石墨烯的强化效率 R 大约为 100~ 210, 远远高于陶瓷颗粒 [59] 、碳纤维 [5] 、碳纳米管 [11] 等增强相。石墨烯具有高 R 值, 一方面在于石墨烯 的固有性质(优异的力学性能、独特的二维结构所拥 有的超高的比表面积), 另一方面是通过改进工艺 实现了石墨烯的均匀分布。复合材料一般由基体组 元与增强体或功能体组成, 利用组分之间的乘积效 应(协同作用)、系统效应、诱导效应、共轭效应等 来提高材料的性能 [60] 。目前, 石墨烯增强铜基复合 材料的增强机制主要包括载荷转移、Orowan 强化、 细晶强化等 [60] 。值得注意的是, 各种增强机制并不 是单一作用的, 而是根据工艺条件的不同协同配合, 从而对基体达到增强效果。 载荷转移机制是当对复合材料施加应力时, 通 过石墨烯与铜基体的界面作用, 把载荷传递到强度 更高的石墨烯增强相上。因此, 铜基体与石墨烯之 间形成良好的界面结合力, 会大幅提升载荷转移的 能力, 从而增强基体的力学性能。在已有的研究中, 基于载荷转移机制的 Shear-lag 模型主要用于预测 短纤维增强金属基复合材料的力学性能 [61] 。标准 Shear-lag 模型假设在基体和增强相的界面上没有发 生滑移, 纤维会重新分配材料中的应力, 同时载荷 将从基体转移到强度较大的纤维上 [62] 。整个过程有 两个重要的推论: (1)在基体-纤维界面上存在剪切 应力; (2)增强相负载了大部分的应力, 而强度较弱 的基体承担了大部分的应变。近几年, 研究者发现 可以使用修正的 Shear-lag 模型预测石墨烯增强铜 基 纳 米 复 合 材 料 的 力 学 性 能 [63] 。 根 据 修 正 的 Shear-lag 模型, 石墨烯复合材料的有效屈服强度可 以用式(2)表示: [64] 。这种强化过程 在纳米级别的复合材料中很容易观察到, 位错密度 是增强效率的主要影响因素。 细晶强化是指通过晶粒粒度的细化来提高金属 的强度, 多晶体金属的晶粒边界通常是大角度晶界, 相邻的不同取向的晶粒受力产生塑性变形时, 部分 施密特因子大的晶粒内位错源先开动, 并沿一定晶 面产生滑移和增殖 [63] 。滑移至晶界前的位错被晶界 阻挡, 这样一个晶粒的塑性变形就无法直接传播到 相邻的晶粒中去, 且造成塑变晶粒内位错塞积。目 前, 很多研究人员都意识到可以通过向金属或合金 基体中引入纳米级增强相实现晶粒细化, 从而提升 基体的强度 [65] 。晶粒越细, 晶界面积越大, 材料在 受力变形过程中, 滑移的位错在晶界处越容易被阻 挡, 产生塞积。在铜基体中均匀分散的石墨烯纳米 片可以有效地钉扎晶界附近的位错, 造成位错堆 积。 所以, 在材料烧结成型过程中, 石墨烯的存在可 以抑制晶粒长大, 有效地阻碍位错运动和裂纹扩 展。细晶强化的效果可以用 Hall-petch 公式 [60] 描述, 晶粒的平均粒径越小, 材料的屈服强度就越高。此 外, 石墨烯对于铜基体的增强机制还有热错配强化, 它主要是由于石墨烯与铜基体的热膨胀系数差异过 大所导致的。石墨烯的热膨胀系数约为 10 -6 K -1 , 而 铜的膨胀系数为 2.4×10 -5 K -1 , 比石墨烯高一个数量 级。在烧结过程中, 两相的热变形差异会在铜基体 中产生高密度位错, 从而提高复合材料的强度 [66] 。 但是, 当石墨烯含量过高时, 石墨烯将分布在晶界 处, 阻碍烧结过程中相邻颗粒间的结合, 从而降低 材料的致密化程度, 使材料的硬度下降。 此外, 当石 墨烯含量增加到一定值后时, 基体中单位体积内的 石墨烯片层数目增多, 易于在层间范德华力作用下 团聚, 使材料致密度降低, 硬度下降 [64] 。 对于铜基复合材料而言, 导电性能也是影响其 综合性能的关键。根据晶体理论 [67] , 材料内部电阻 的产生主要由于晶格完整性遭到破坏。石墨烯的加 入破坏了金属铜晶格体系的完整性, 使其出现严重 的晶格畸变, 这大幅增加了电子波的散射作用, 从 而使电阻增加, 电导率下降。 同时, 石墨烯的弥散分 布阻碍了材料致密化, 使孔隙率增加、 密度降低, 进 而使电导率降低。此外, 石墨烯的加入还有效阻碍 了晶粒长大, 使晶界面积增大, 同时也增加了其对 电子的散射作用, 导致电导率下降。 因此, 如何合理 控制石墨烯在金属基体中的分布, 保证复合材料的…”

Synthesis and characterization of DGEBA composites reinforced with Cu/Ag modified carbon nanotubes

“…Type of Polymer matrix, MWCNTs and the interphase region between the matrix and the MWCNTs are the important contributing factors to the properties of the composites (Cui et al., 2003; Fiedler et al., 2006; Moniruzzaman and Winey, 2006; Li et al., 2009; Sahoo et al., 2010). Normally MWCNTs have high tendency to aggregate, which is one of the main hindrance in the uniform dispersion of MWCNTs in the polymer matrix and may affect the properties of the composites (Baig et al., 2018) Functionalization of MWCNTs helps in the dispersion (Gojny and Schulte, 2004) but the structure of the MWCNTs is compromised due to harsh treatments. The type of interactions which are supposed to exist between the polymer and MWCNTs are covalent and non-covalent or physical interactions.…”