fabricación de en - Grupo de aluminio puro

Scientific Reports volumen 6, Número de artículo: 19363 (2016) Citar este artículo

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Los compuestos de grafeno/Cu se fabricaron a través de un enfoque de crecimiento in situ de grafeno, que implicó la molienda de bolas de polvos de Cu con PMMA como fuente de carbono sólido, el crecimiento in situ de grafeno en polvos de Cu escamosos y la sinterización por prensado en caliente al vacío. Los resultados de la caracterización SEM y TEM indicaron que el grafeno cultivado in situ sobre polvos de Cu garantizaba una dispersión homogénea y una buena combinación entre el grafeno y la matriz de Cu, así como la estructura intacta del grafeno, lo que era beneficioso para su efecto fortalecedor. El límite elástico de 244 MPa y la resistencia a la tracción de 274 MPa se lograron en el compuesto con grafeno al 0,95 % en peso, que por separado tenían una mejora del 177 % y del 27,4 % sobre el Cu puro. El efecto de fortalecimiento del grafeno cultivado in situ en la matriz contribuyó a la transferencia de carga y al fortalecimiento de la dislocación.

La estructura única que contiene pocas capas de átomos de carbono con hibridación sp21 en una red hexagonal dota al grafeno de propiedades mecánicas y funcionales superiores, como una resistencia mecánica y un módulo de Young incomparables, una conductividad térmica extremadamente alta y movilidad del portador de carga2,3,4,5. Así, los compuestos de matriz metálica (MMCs) reforzados con grafeno han llamado mucho la atención durante los últimos años, ya que tiene un gran potencial para obtener un alto rendimiento para cumplir con los requisitos de alta resistencia, buena tenacidad y peso ligero6,7,8,9 ,10,11. Sin embargo, los átomos colgantes en los bordes del grafeno hacen que el grafeno sea inestable y muy probable que se aglomere o incluso se vuelva a apilar para formar láminas delgadas de carbono o grafito a través de la fuerza de van der Waals y la reacción π − π12, lo que genera grandes dificultades en la fabricación de MMC.

Hasta ahora, el grafeno utilizado para fabricar MMC se agrega ex situ a la matriz metálica. La mayor parte de la investigación se ha centrado en la combinación de polvos metálicos con óxido de grafito reducido (RGO) y nanoplaquetas de grafeno (GNP) mediante integración química o integración mecánica para obtener una dispersión deseable de grafeno dentro de la matriz metálica. Para el método de integración química, se empleó la adsorción electrostática entre iones de Al hidrolizados y óxido de grafito (GO) con carga negativa para lograr la dispersión deseada de GO en polvos de Al13. Jaewon Hwang et al.14 sintetizaron polvos compuestos RGO/Cu mezclando GO con solución de Cu(CH3COO)2 y reducción adicional. Sin embargo, la reducción incompleta de GO y la reunión de RGO en el proceso de reducción podrían influir en el efecto reforzante del grafeno. Por otro lado, la integración mecánica mediante molienda mecánica de polvos metálicos y grafeno se usa ampliamente para lograr una dispersión uniforme de grafeno dentro de una matriz metálica. Por ejemplo, Li et al.15 agregaron RGO en polvos de Al y realizaron una combinación entre RGO y polvos de Al mediante criomolienda. Se obtiene una alta dispersión de grafeno en una matriz metálica mediante la molienda con bolas de GNP con polvos metálicos, durante la cual el GNP se extrajo y se dispersó dentro de la matriz16,17. El molino de bolas es un método fácil y practicable, pero inevitablemente introduce muchos defectos en el grafeno, lo que también es perjudicial para su efecto de fortalecimiento5,6,7,14. Por lo tanto, aunque numerosos trabajos han demostrado que las MMC pueden reforzarse con la adición de grafeno, las deficiencias de los métodos convencionales que utilizan RGO o GNP como refuerzos añadidos directamente a la matriz metálica han limitado el progreso de la investigación17,18,19. Por lo tanto, es de gran valor fabricar MMC reforzados con grafeno cultivado in situ en los trabajos futuros en esta área.

Los compuestos de matriz Cu exhiben una amplia gama de aplicaciones en diferentes áreas, como automóviles, microelectrónica, etc. Los refuerzos tradicionales utilizados para fabricar compuestos de matriz de Cu, como óxidos y nanopartículas de carburo, dan como resultado una mejora significativa en las propiedades mecánicas del Cu21. Sin embargo, la baja conductividad eléctrica y térmica de estos refuerzos los hace inadecuados para aplicaciones electrónicas. Por lo tanto, el grafeno de estructura intacta como refuerzo para el compuesto de Cu tiene un gran potencial para fabricar un compuesto de matriz de Cu deseable. Recientemente, Wang et al.22 lograron un recubrimiento uniforme de PMMA en las superficies de polvos metálicos con la ayuda de alcohol polivinílico (PVA) como aglutinante y obtuvieron además grafeno cultivado in situ dentro de la matriz metálica. Además, el crecimiento in situ de grafeno monocapa en una matriz de Cu se logró mediante la catalización de PMMA recubierto en láminas de Cu4. Por lo tanto, el grafeno cultivado in situ dentro de una matriz de Cu proporciona directamente un buen enfoque para superar los cuellos de botella provocados por la integración química y la integración mecánica y para lograr una buena dispersión de grafeno dentro de una matriz de Cu.

En este trabajo, presentamos un método favorable para fabricar compuestos de grafeno/Cu con grafeno cultivado in situ en polvos de Cu a partir de la fuente de carbono sólido PMMA, garantizando una buena dispersión e interfaz entre el grafeno y la matriz de Cu. Después de la optimización de los parámetros del proceso, se preparan y prueban compuestos de grafeno/Cu a granel. Además, demostramos los mecanismos de fortalecimiento del grafeno cultivado in situ a través de las caracterizaciones de SEM y TEM junto con el procedimiento experimental. El objetivo de este trabajo es satisfacer las crecientes demandas de resistencia estructural y eficiencia energética en el futuro.

La Figura 1 es una breve ilustración esquemática de los procedimientos para fabricar compuestos de grafeno/Cu. Una discusión detallada de la preparación de la muestra se da en la sección Métodos.

Diagrama esquemático de los procedimientos de fabricación para fabricar compuestos de grafeno/Cu.

(a) Polvos originales de Cu y PMMA. (b) Polvos de Cu en escamas cargados con PMMA después de la molienda con bolas. (c) Polvos compuestos de grafeno/Cu. ( d ) Compuesto de grafeno / Cu a granel después de la sinterización por prensado en caliente.

La morfología de los polvos de Cu esféricos originales se muestra en la Fig. 2 (a) y el tamaño de los polvos de Cu es de aproximadamente 30 a 40 μm de diámetro. Después de la molienda con bolas, los polvos de Cu se transfieren a pequeños copos de Cu. La figura 2(b) muestra la imagen SEM de polvos de cobre molidos con bolas que se han deformado en forma de escamas con superficies lisas y un espesor de ~ 1 μm. El área superficial de la matriz de Cu se mejora considerablemente, lo que proporciona una posición más grande para la adherencia del PMMA. Al mismo tiempo, los polvos de PMMA se pulverizan en partículas más pequeñas y se cargan en las superficies de las escamas de cobre en presencia de fuerza mecánica. Las imágenes de PMMA triturado disperso en las superficies de escamas de Cu de PMMA/Cu-1, PMMA /Cu-2 y PMMA /Cu-3 se muestran en la Fig. 2(c-e), en la que PMMA/Cu-2 muestra la dispersión más homogénea de PMMA en escamas de Cu. Con el aumento de PMMA, crece el tamaño de las partículas de PMMA cargadas en escamas de Cu. De acuerdo con estos resultados, demasiado PMMA puede resultar en la aglomeración de PMMA en polvos de Cu, lo que lleva a un mayor tamaño de partículas de PMMA.

( a ) Imagen SEM de polvos de Cu puro originales. (b) polvos escamosos de PMMA/Cu; Micrografías SEM de PMMA triturado disperso en la superficie de (c) PMMA/Cu-1, (d) PMMA/Cu-2 y (e) PMMA/Cu-3, correspondientemente.

La Figura 3(a–c) representa las morfologías del grafeno cultivado in situ en polvos de Cu escamosos de grafeno/Cu-1, grafeno/Cu-2 y grafeno/Cu-3, respectivamente. En los polvos compuestos de grafeno/Cu-1 y grafeno/Cu-2, una pieza completa de grafeno cubre varios límites de grano de Cu y los límites de grano de la matriz de Cu se ven claramente debajo del grafeno en relieve, lo que indica la alta transmisión de luz y la buena cristalinidad de in-situ grafeno La Figura 3 (e) proporciona una imagen TEM del grafeno que muestra un patrón de difracción de electrones de área seleccionada hexagonal (SAED), que indica claramente el patrón del grafeno de pocas capas. En los polvos compuestos de grafeno/Cu-3, la morfología SEM de los productos de reducción de PMMA es significativamente diferente de la del grafeno/Cu-1 y el grafeno/Cu-2 y solo se puede identificar algo de grafeno descentralizado en la imagen.

Morfologías SEM de (a) grafeno/Cu-1, (b) grafeno/Cu-2 y (c) grafeno/Cu-3, respectivamente; Morfologías TEM de (d) grafeno/Cu-1, (e) grafeno/Cu-2 y (f) grafeno/Cu-3, respectivamente. (g) Patrones XRD de grafeno/Cu-1, grafeno/Cu-2 y grafeno/Cu-3. (h) Espectros Raman de grafeno/Cu-1, grafeno/Cu-2 y grafeno/Cu-3.

Para explorar más a fondo las morfologías y la calidad del grafeno cultivado in situ en diferentes polvos compuestos, la matriz de Cu se elimina mediante el uso de una solución de CuSO4 acidificada con ácido clorhídrico y el grafeno se observa mediante TEM. Las morfologías del grafeno de grafeno/Cu-1, grafeno/Cu-2 y grafeno/Cu-3 se muestran en la Fig. 3 (d-f). En la Fig. 3 (d, e), las arrugas del grafeno se distinguen en las imágenes y la alta transparencia del grafeno resulta de su estructura ultrafina. El tamaño de la capa de grafeno es hasta un nivel micro y las áreas con un contraste relativamente mayor son partículas residuales de Cu. Dado que el grafeno tiene una fuerte resistencia química a la solución de grabado, el Cu cubierto por la capa de grafeno no podría grabarse totalmente con facilidad14 y algunas partículas residuales de Cu a nanoescala se pueden ver en las imágenes TEM. En la Fig. 3(f), el producto de PMMA no posee una estructura de borde ondulado y su transmisión de luz no es tan ideal en algunas áreas. A juzgar por las caracterizaciones de SEM, TEM y Raman, sospechamos que la proporción de masa de PMMA en PMMA/Cu-3 supera la capacidad del Cu para catalizar todo el PMMA en grafeno y los productos de reducción parcial de PMMA/Cu-3 son carbono delgado. láminas en lugar de grafeno.

La Figura 3(g) muestra los resultados XRD de polvos de grafeno/Cu-1, grafeno/Cu-2 y grafeno/Cu-3, respectivamente. Tres picos de difracción con alta intensidad corresponden a los tres planos cristalinos de (111), (200) y (220) del Cu cúbico centrado en las caras (fcc), respectivamente. No se detectan picos de grafeno, porque los fuertes picos de difracción de la matriz de Cu encubren la información del grafeno. Excepto por los picos de Cu, no se han detectado otros picos, lo que indica estabilidad química entre la matriz de Cu y el grafeno. Los espectros Raman de tres polvos compuestos se muestran en la Fig. 3 (h). La banda G se origina del movimiento de estiramiento de los pares de carbonos sp2 tanto en los anillos como en las cadenas, mientras que la banda D surge de los defectos en la red hexagonal de carbonos sp2 o del efecto del tamaño finito de las partículas23. La intensidad relativa entre los picos D y G (ID/IG) refleja la calidad de los CNT o el grafeno y un valor de relación más alto puede indicar una densidad de defectos más alta14,24. Las relaciones ID/IG de grafeno/Cu-1 y grafeno/Cu-2 se miden alrededor de 0,76, lo que demuestra que el grafeno obtenido a través de este método tiene una buena cristalinidad e integridad estructural. Con el incremento de PMMA, la relación ID/IG de grafeno/Cu-3 aumenta a 0,9, lo que revela que los defectos en el grafeno aumentan con la fuente de carbono sólido.

En los métodos tradicionales, se emplea un molino de bolas para dispersar RGO dentro de la matriz metálica. Durante este trabajo, el grafeno crece in situ en una matriz de Cu después de un molino de bolas de polvos de Cu y PMMA. En comparación, no solo se evita totalmente el daño mecánico del molino de bolas, sino que también se puede mantener la morfología del grafeno en su integridad original cuando se forma la unión entre el grafeno y la matriz de Cu.

La imagen TEM de alta resolución de los bordes del grafeno a partir de grafeno/Cu-2 se muestra en la Fig. 4(a) y se pueden identificar unas tres capas de grafeno. El espacio entre capas de las capas de grafeno se mide a través de la transformada de Fourier utilizando Digital Micrograph. Teniendo en cuenta las desviaciones en la medición, se obtiene un espacio entre capas de 0,66 nm midiendo el espacio entre tres capas de grafeno después de la transformada de Fourier y la transformada inversa de Fourier. Por lo tanto, el espacio entre capas del grafeno cultivado in situ es de 0,33 nm y está bastante cerca del valor teórico (0,34 nm)4, lo que demuestra la buena calidad del grafeno cultivado in situ. AFM es también un método eficaz para medir el espesor de las muestras. La Figura 4(b) muestra una imagen AFM típica y un análisis de sección de grafeno crecido in situ a partir de polvos compuestos de grafeno/Cu-2 después del grabado de la matriz de Cu. En la imagen se superponen dos piezas de grafeno y el grosor de las mismas se obtiene midiendo el grosor entre B, C y A. Los grosores de las áreas B y C son 0,78 nm y 0,41 nm, respectivamente. Esto significa que las dos piezas de grafeno son por separado de tres capas y dos capas, lo que es consistente con los datos en la Fig. 4 (a).

( a ) Imagen HRTEM de grafeno cultivado in situ y su espacio entre capas. ( b ) Una imagen AFM y un análisis de sección de grafeno cultivado in situ absorbido en mica recién escindida.

La figura 5 representa las superficies de fractura de grafeno/Cu-1, grafeno/Cu-2 y grafeno/Cu-3. Entre los hoyuelos de las fracturas, se podía ver claramente el grafeno desgarrado extraído de las superficies de fractura de grafeno/Cu-1 y grafeno/Cu-2. Especialmente, el grafeno crecido in situ se dispersa homogéneamente en todo el compuesto de grafeno/Cu-2 sin aglomeración (Fig. 5 (b)) porque el grafeno ha crecido in situ en hojuelas de Cu antes del proceso de sinterización por prensado en caliente. Sin embargo, en el grafeno/Cu-3 (Fig. 5(c)), se pudieron identificar láminas delgadas de carbono en los hoyuelos de su superficie de fractura. El carbono fino se ha separado de la matriz y no hay signos evidentes de adhesión entre ellos.

Superficies de fractura de (a) grafeno/Cu-1, (b) grafeno/Cu-2 y (c) grafeno/Cu-3, correspondientemente.

Las propiedades mecánicas de los compuestos de Cu puro y grafeno/Cu se enumeran en la Tabla 1 y la Fig. 6 muestra las curvas de tensión-deformación de los compuestos de grafeno/Cu y Cu puro. Es obvio que hay una marcada mejora en las propiedades mecánicas de los compuestos de grafeno/Cu. Entre los compuestos, el grafeno/Cu-2 presenta una resistencia a la tracción de 274 MPa y un límite elástico de 244 MPa, que son respectivamente un 27,4 % y un 177 % más altos que el Cu puro. El efecto de refuerzo en el límite elástico es más efectivo que el método de impregnación (120%)25. Tanto el límite elástico como la tracción aumentan con el aumento del contenido de grafeno en comparación con el compuesto de grafeno/Cu-1. Sin embargo, las propiedades mecánicas del grafeno/Cu-3 caen a un nivel bastante bajo. La mala mejora de grafeno/Cu-3 puede dar como resultado principalmente láminas de carbono delgadas, como se muestra en las Figs. 3(f) y 5(c), lo cual es perjudicial para las propiedades mecánicas de los materiales compuestos. Graphene/Cu-3 también muestra una disminución significativa en el alargamiento en comparación con otros compuestos, lo que indica aún más el efecto perjudicial de las delgadas láminas de carbono dentro del compuesto. Vale la pena mencionar que el grafeno/Cu-1 muestra una mejor dureza que el Cu puro y este resultado proviene del excelente módulo del grafeno. Este fenómeno revela que el compuesto se puede fortalecer sin perder su buena ductilidad con grafeno crecido in situ. El valor de dureza del Cu puro es mucho más alto que el Cu común, que es la consecuencia del endurecimiento en frío del proceso de molienda con bolas.

Curvas de tensión-deformación de Cu puro y diferentes compuestos de grafeno/Cu.

Para obtener los contenidos precisos de grafeno cultivado in situ dentro de los compuestos de grafeno/Cu, se realizan pruebas termogravimétricas para medir las fracciones de masa de los compuestos. Los resultados de las pruebas termogravimétricas se resumen en la Tabla 1. Los contenidos de grafeno de los compuestos son más bajos que los valores de diseño, esto se debe a que los átomos de carbono derivados del PMMA pirolizado pueden difundirse con la atmósfera que fluye. Sospechamos que el flujo de aire en el tubo de cuarzo se lleva una parte de los átomos de C durante el proceso de catalización, dejando átomos de carbono de partículas catalizados a grafeno en la matriz de Cu. Dado que el grafeno/Cu-3 contiene muchas láminas delgadas de carbono excepto el grafeno, no es fácil obtener el contenido exacto de grafeno en el grafeno/Cu-3.

El valor de la densidad teórica del material compuesto se puede calcular a partir de la ecuación (1):

donde, y son densidades de compuestos de grafeno/Cu, grafeno y matriz de Cu, respectivamente. y son fracciones de masa de grafeno y matriz de Cu. La densidad del grafeno se estima en = 1,06 g/cm3 26 y el valor teórico de la densidad del compuesto de grafeno/Cu-2 (0,95 % en peso de grafeno) es de 8,31 g/cm3. La densidad del compuesto de grafeno/Cu-2 se mide en 8,28 g/cm3 según la prueba, que está bastante cerca del valor de densidad teórico. Esto muestra que el procedimiento de sinterización por prensado en caliente casi logra una densificación completa del material compuesto.

Las conductividades eléctricas de los compuestos son muy parecidas a las de un conductor de Cu recocido estándar, 57,5 × 106 S·m−1 del Estándar Internacional de Cobre Recocido (IACS)25. Las conductividades eléctricas se evalúan por el método de corrientes de Foucault. La conductividad del Cu puro se mide en 57,1 × 106 S·m−1 y las conductividades de los compuestos de grafeno/Cu-1, los compuestos de grafeno/Cu-2 y los compuestos de grafeno/Cu-3 se miden en 57,3 × 106 S· m−1, 57,5 × 106 S·m−1 y 56,4 × 106 S·m−1, respectivamente. Como podemos ver, las conductividades eléctricas del grafeno/Cu-1 y del grafeno/Cu-2 son superiores a las del Cu puro. Debido al incremento del defecto en el grafeno obtenido in situ, la conductividad eléctrica del grafeno/Cu-3 es inferior al Cu puro y a los otros dos compuestos de grafeno/Cu. El efecto del grafeno dentro de la matriz es como "películas conductoras", garantizando la transferencia de corriente en los compuestos. En este sentido, las conductividades eléctricas de los compuestos de grafeno/Cu mejorados con grafeno cultivado in situ se mantienen en un nivel satisfactorio para su uso en electrónica.

Hasta ahora, muchas teorías pueden dilucidar el mecanismo de fortalecimiento de las MMC. La transferencia de carga27, el reforzamiento por dislocación28, el reforzamiento por solución sólida29, el reforzamiento por precipitación30 y el refinamiento de grano31 generalmente se consideran los mecanismos de reforzamiento en las CMM. Entre estos mecanismos, la transferencia de carga y el fortalecimiento por dislocación hacen contribuciones significativas a los efectos de fortalecimiento en compuestos de grafeno/metal22.

La excelente interfase entre el refuerzo y la matriz es un factor clave para garantizar el efecto de refuerzo en los compuestos. Con respecto a un composite, muchos factores pueden afectar la interfase y la unión interfacial ocupa un impacto considerable. HRTEM se utiliza para estudiar la interfaz entre el grafeno y la matriz de Cu en un compuesto de grafeno/Cu-2. Dado que la solubilidad de los átomos de C en la matriz de Cu es extremadamente baja, el grafeno que crece in situ en escamas de Cu es bastante delgado y forma una interfaz bien contactada con la matriz de Cu, que se muestra en la Fig. 7 (a). La imagen HRTEM insertada revela un espacio de red de 0,21 nm, que coincide con el plano (111) de Cu cúbico. La superficie (111) de Cu es capaz de catalizar PMMA en grafeno de la más alta calidad en crecimiento epitaxial, en términos de integridad estructural, debido a la estrecha coincidencia de red entre el grafeno hexagonal (constante de red 2,46 A° a 573 K) y hexagonal ( 111) Cu (constante de red 2,56 A° a 573 K)32. La unión entre el grafeno y la interfaz de (111) Cu es de una fuerza extremadamente alta según las simulaciones de dinámica molecular33. Las capas de grafeno se ven claramente y no hay espacios ni impurezas a lo largo de las interfaces entre el grafeno y la matriz de Cu en la imagen HRTEM, lo que indica que la unión interfacial entre el grafeno cultivado in situ y la matriz de Cu es de alta resistencia. El compuesto de grafeno/Cu-2 deformado después de la prueba de tracción se analiza más a fondo utilizando TEM para obtener información sobre el mecanismo de fortalecimiento. En la Fig. 7(b), se observa el grafeno fuertemente adherido a la matriz. La integridad de la estructura del grafeno se mantiene intacta después de la sinterización por prensado en caliente y no se produce agregación de grafeno. Se ve que las dislocaciones se acumulan cerca del grafeno y la densidad de las dislocaciones es mayor que la de otras áreas, lo que indica que el grafeno actúa como un obstáculo para la propagación de las dislocaciones durante la deformación. El recuadro de la Fig. 7b muestra que el grafeno se extiende a lo largo de la región de las dislocaciones.

( a ) Morfología TEM de la interfaz entre el grafeno y la matriz de Cu en el compuesto de grafeno / Cu-2. ( b ) Efecto de fortalecimiento de la dislocación del grafeno dentro del compuesto de grafeno / Cu-2. ( c ) Diagrama esquemático de una vista en sección de grafeno / Cu en el proceso de fractura.

La Figura 7(c) es un diagrama esquemático de una vista en sección de grafeno/Cu. Teniendo en cuenta el efecto de la corriente de gas durante el proceso de catálisis, una pequeña proporción de átomos de C puede formar grafeno convexo y la mayor parte de la capa de grafeno está unida estrechamente a los granos de Cu. Así, una interfase bien contactada y una buena unión entre la matriz de Cu y el grafeno garantizan la eficiencia de la transferencia de carga durante la deformación. Cuando el material compuesto está bajo estrés, el grafeno soporta cierta parte de la carga transferida desde la matriz en el proceso de deformación. Dado que el grafeno tiene una resistencia mucho mayor que el Cu, la matriz del Cu se fractura antes que el grafeno. Después de la fractura de la matriz de Cu, el grafeno se alarga y se necesita una fuerza extra para lograr la fractura completa del grafeno, lo cual puede ser corroborado por la morfología de la superficie de fractura (Fig. 5(b)). El grafeno existe en hoyuelos profundos y se extrae de la matriz de Cu, lo que indica que la transferencia de carga juega un papel importante en el efecto de fortalecimiento. Este diagrama esquemático también es útil para explicar la mejora en el alargamiento del compuesto de grafeno/Cu-1. Dado que el grafeno es de alto módulo, también puede mejorar la tenacidad de los compuestos al impedir el progreso de la fractura.

Según la regla de mezcla de compuestos (ecuación (2))

donde , y son resistencias a la tracción de compuestos de grafeno/Cu, matriz de Cu y grafeno, y son fracciones de volumen de matriz de Cu y grafeno.

En teoría, el compuesto de grafeno/Cu-2 en realidad debería exhibir una mejora sobresaliente en las propiedades mecánicas. Sin embargo, el incremento real en la resistencia a la tracción es mucho menor que el valor teórico (4,47 GPa). Esto se debe principalmente a las diferentes orientaciones de las escamas de Cu durante el proceso de sinterización por prensado en caliente. Como se muestra en la Fig. 7 (c), el grafeno en hojuelas de Cu no lograría un efecto de fortalecimiento si los planos de las hojuelas de Cu son verticales en lugar de a lo largo de la dirección de la carga.

En conclusión, el compuesto de grafeno/Cu con grafeno de estructura intacta uniformemente disperso dentro de la matriz de Cu se ha fabricado con éxito mediante el crecimiento in situ de grafeno en polvos de Cu escamosos y prensado en caliente al vacío. El grafeno observado en el experimento existe principalmente sobre los límites de grano de Cu y forma un enlace cara a cara con polvos de Cu escamosos. El límite elástico de 144 MPa y la resistencia a la tracción de 274 MPa se logran en un compuesto de grafeno/Cu con un 0,95 % en peso de grafeno, que representan una mejora del 177 % y del 27,4 %, respectivamente, sobre el Cu puro. El efecto de fortalecimiento del grafeno cultivado in situ en la matriz contribuye a la transferencia de carga y al fortalecimiento de la dislocación. Los compuestos fabricados con este método pueden fortalecerse y endurecerse con grafeno cultivado in situ dentro de una matriz de Cu debido al excelente módulo del grafeno y la interfaz de alta resistencia. El novedoso método de fabricación del compuesto de grafeno/Cu con grafeno cultivado in situ es significativo para el diseño y la producción en masa de MMC. La optimización del tamaño de los polvos de Cu originales y la temperatura de sinterización en prensa caliente y este tema se investigarán en trabajos futuros.

Los materiales iniciales incluyen polvos de Cu atomizados (99,9 % de pureza, −400 mallas) y polvos de PMMA (99,9 % de pureza, alrededor de 80 μm de diámetro). Los polvos iniciales se produjeron mezclando 0,1, 0,2 o 0,3 g de PMMA, 10 g de polvos de Cu y 150 g de bolas de acero inoxidable y se molieron con bolas a una velocidad de 400 rpm durante 2 h con argón (Ar) como atmósfera protectora. Los polvos compuestos preparados con relaciones de masa entre Cu y PMMA de 10:0,1, 10:0,2 y 10:0,3 se designaron como PMMA/Cu-1, PMMA/Cu-2 y PMMA/Cu-3, respectivamente.

Luego, los polvos compuestos de PMMA/Cu se colocaron en un horno de tubo de cuarzo (precalentado a 800 °C) y se calcinaron durante 10 min y se enfriaron rápidamente a temperatura ambiente en el aire. Todo el proceso de calcinación se realizó en atmósfera de Ar (200 ml/min) y H2 (100 ml/min). Después de la calcinación, los polvos compuestos se denominaron grafeno/Cu-1, grafeno/Cu-2 y grafeno/Cu-3, respectivamente. Luego, los polvos compuestos de grafeno/Cu se colocaron en una matriz de grafito y se prensaron en caliente en muestras de ϕ45 × 3 mm3 al vacío (por debajo de 10−4 MPa) usando una presión de 50 MPa a 800 °C durante 1 h. A modo de comparación, también se fabricó una muestra a granel de Cu puro mediante el mismo proceso.

Las morfologías de los polvos puros de Cu, PMMA/Cu y grafeno/Cu se observaron utilizando un microscopio electrónico de barrido (SEM, HITACHI S4800). Se prepararon láminas delgadas para observaciones TEM mediante electropulido de chorro doble a 100 mA en una solución de ácido nítrico al 30 % y solución de metanol al 70 % enfriada a -30 °C y observada en un microscopio electrónico de transmisión (TEM) JEM-2100F. Se empleó el microscopio electrónico de transmisión de alta resolución JEM-2100F para caracterizar la morfología del grafeno. Se utilizó un espectrómetro micro-Raman (Renishaw, microscopio inVia) con un láser de 532 nm para estudiar la calidad del grafeno producido a partir de PMMA. Los patrones de difracción de rayos X en polvo (XRD) se registraron utilizando un difractómetro Rigaku D/max con radiación Cu Kα a una longitud de onda de 1,5406 Å. El análisis termogravimétrico se llevó a cabo en un analizador termogravimétrico TGA 9000. Las pruebas de dureza Vickers se realizaron en una máquina EveroneMH-6. Las muestras de prueba de tracción se mecanizaron en especímenes con un tamaño de 17 × 5 × 2 mm3 y las pruebas de tracción se realizaron en una máquina de prueba universal electrónica CSS-44100 con una velocidad de carga de 1 mm/min.

Cómo citar este artículo: Chen, Y. et al. Fabricación de compuestos de matriz de Cu reforzados con grafeno cultivados in situ. ciencia Rep. 6, 19363; doi: 10.1038/srep19363 (2016).

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Los autores agradecen el apoyo financiero de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (Subvención No. 51531004).

Laboratorio clave de materiales compuestos y funcionales, Facultad de ciencia e ingeniería de materiales, Universidad de Tianjin, 300072, Tianjin, China

Yakun Chen, Xiang Zhang, Enzuo Liu, Chunnian He, Chunsheng Shi, Jiajun Li y Naiqin Zhao

Centro de Innovación Colaborativa de Ciencias Químicas e Ingeniería, Universidad de Tianjin, 300072, Tianjin, China

Enzuo Liu, Chunnian He y Naiqin Zhao

Centro de Tecnología de Procesamiento Térmico, Instituto de Tecnología de Illinois, Chicago, 60616, IL, EE. UU.

Felipe Nash

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YKC llevó a cabo el experimento y escribió el artículo. CNH y CSS ofrecieron grandes ideas para mejorar el experimento. YKC y XZ recopilaron y analizaron los datos. NQZ manejó todas las cifras. JJL, EZL y PN proporcionaron sugerencias constructivas en el borrador y revisión del manuscrito.

Los autores declaran no tener intereses financieros en competencia.

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Reimpresiones y permisos

Chen, Y., Zhang, X., Liu, E. et al. Fabricación de compuestos de matriz de Cu reforzados con grafeno cultivados in situ. Informe científico 6, 19363 (2016). https://doi.org/10.1038/srep19363

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Recibido: 30 Septiembre 2015

Aceptado: 11 de diciembre de 2015

Publicado: 14 enero 2016

DOI: https://doi.org/10.1038/srep19363

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