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Scientific Reports volume 6、記事番号: 19363 (2016) この記事を引用

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グラフェン/Cu複合材料は、固体炭素源としてPMMAを使用したCu粉末のボールミル粉砕、薄片状Cu粉末上でのグラフェンのその場成長、および真空ホットプレス焼結を含むグラフェン現場成長アプローチを通じて製造されました。 SEM および TEM による特性評価の結果は、Cu 粉末上でその場成長させたグラフェンが均一な分散とグラフェンと Cu マトリックスの良好な組み合わせを保証し、グラフェンの無傷な構造を保証し、これが強化効果に有益であることを示しました。 0.95 wt.% グラフェンを含む複合材料では、244 MPa の降伏強度と 274 MPa の引張強度が達成され、それぞれ純粋な Cu よりも 177% および 27.4% 向上しました。 マトリックス中のその場成長グラフェンの強化効果は、荷重伝達と転位強化に寄与しました。

六方格子内に数層の sp2 混成炭素原子 1 を含む独特の構造により、比類のない機械的強度とヤング率、極めて高い熱伝導率、電荷キャリア移動度など、非常に優れた機械的および機能的特性がグラフェンに与えられます 2、3、4、5。 したがって、グラフェンで強化された金属基複合材料（MMC）は、高強度、優れた靭性、軽量の要件を満たす高性能を得る大きな可能性を秘めているため、ここ数年で大きな注目を集めています6、7、8、9。 、10、11。 しかし、グラフェンの端に原子がぶら下がっているため、グラフェンは不安定になり、ファンデルワールス力やπ − π 反応によって凝集したり再積層されて薄い炭素シートやグラファイトが形成されたりする可能性が非常に高く 12、MMC の製造に大きな困難をもたらします。

これまでのところ、MMC の製造に使用されるグラフェンはすべて現場外で金属マトリックスに添加されています。 ほとんどの研究は、金属マトリックス内にグラフェンを望ましい分散状態にするために、化学的統合または機械的統合を通じて金属粉末と還元酸化グラファイト (RGO) およびグラフェン ナノプレートレット (GNP) を組み合わせることに焦点を当ててきました。 化学的統合法では、加水分解した Al イオンと負に帯電した酸化グラファイト (GO) との間の静電吸着を利用して、Al 粉末上に GO を分散させることが行われています13。 Jaewon Hwang ら 14 は、GO を Cu(CH3COO)2 溶液と混合し、さらに還元することによって RGO/Cu 複合粉末を合成しました。 ただし、GO の不完全な還元と還元プロセスにおける RGO の再結合は、グラフェンの強化効果に影響を与える可能性があります。 一方、金属粉末とグラフェンの機械的ボールミル粉砕による機械的一体化は、金属マトリックス内にグラフェンを均一に分散させるために広く使用されています。 例えば、Li et al.15 は RGO を Al 粉末に添加し、クライオミリングによって RGO と Al 粉末の結合を実現しました。 金属マトリックス中のグラフェンの高度な分散は、金属粉末を使用した GNP のボールミル粉砕によって得られ、その間に GNP は剥離され、マトリックス内に分散されます 16,17。 ボールミリングは簡単で実用的な方法ですが、グラフェンに多くの欠陥が必然的に導入され、強化効果にも悪影響を及ぼします5、6、7、14。 したがって、グラフェンを添加することで MMC を強化できることが数多くの研究で実証されているが、金属マトリックスに直接添加される強化材として RGO または GNP を使用する従来の方法の欠点により、研究の進歩が制限されてきました 17、18、19。 したがって、この分野での将来の研究において、現場成長グラフェンで強化されたMMCを製造することは非常に価値があります。

Cu マトリックス複合材料は、自動車、マイクロエレクトロニクスなどのさまざまな分野で幅広い用途を示します20。 酸化物や炭化物ナノ粒子などの Cu マトリックス複合材料の製造に使用される従来の強化材は、Cu21 の機械的特性を大幅に改善します。 それにもかかわらず、これらの強化材の電気伝導性と熱伝導性は低いため、電子用途には適していません。 したがって、Cu複合材料の強化材として構造が損なわれていないグラフェンは、望ましいCuマトリックス複合材料を製造する上で大きな可能性を秘めています。 最近、Wang ら 22 は、バインダーとしてポリビニル アルコール (PVA) を使用して金属粉末の表面に PMMA を均一にコーティングし、さらに金属マトリックス内で現場成長したグラフェンを取得しました。 さらに、Cu 箔上にコーティングされた PMMA を触媒することにより、Cu マトリックス上でその場成長した単層グラフェンが達成されました4。 したがって、Cu マトリックス内でその場成長したグラフェンは、化学的統合および機械的統合によって引き起こされるボトルネックを克服し、Cu マトリックス内でグラフェンの良好な分散を達成するための優れたアプローチを直接提供します。

この研究では、固体炭素源PMMAからのCu粉末上にグラフェンをその場成長させ、グラフェンとCuマトリックス間の良好な分散と界面を保証する、グラフェン/Cu複合材料を製造するための好ましい方法を紹介します。 プロセスパラメータの最適化後、バルクグラフェン/Cu複合材料が準備され、テストされます。 さらに、SEM と TEM の特性評価と実験手順を通じて、その場成長グラフェンの強化メカニズムを実証します。 この取り組みの目的は、将来の構造強度とエネルギー効率に対するますます高まる需要に応えることです。

図 1 は、グラフェン/Cu 複合材料を製造する手順の簡単な概略図です。 サンプル前処理の詳細については、「方法」セクションで説明します。

グラフェン/Cu複合材料を作製するための作製手順の概略図。

(a) オリジナルの Cu 粉末と PMMA。 (b) ボールミル粉砕後の PMMA を充填したフレーク状 Cu 粉末。 (c) グラフェン/Cu 複合粉末。 (d) ホットプレス焼結後のバルクグラフェン/Cu 複合材料。

元の球状Cu粉末の形態を図2(a)に示します。Cu粉末のサイズは直径約30〜40μmです。 ボールミル粉砕後、Cu 粉末は小さな Cu フレークに変換されます。 図 2(b) は、ボールミル粉砕された Cu 粉末の SEM 画像を示しています。この粉末は、滑らかな表面と厚さ約 1 μm のフレーク状の形状に変形されています。 Cu マトリックスの表面積が大幅に改善され、PMMA が付着する場所が広がります。 同時に、PMMA 粉末はより小さな粒子に粉砕され、機械力の存在下で Cu フレークの表面にロードされます。 PMMA/Cu-1、PMMA /Cu-2、およびPMMA /Cu-3のCuフレークの表面に分散された粉砕PMMAの画像を図2（c〜e）に示します。銅フレーク上の PMMA の最も均一な分散。 PMMA の増加に伴い、Cu フレークにロードされる PMMA 粒子のサイズが大きくなります。 これらの結果によると、PMMA が多すぎると Cu 粉末上で PMMA が凝集し、PMMA 粒子のサイズが大きくなる可能性があります。

(a) 元の純粋な Cu 粉末の SEM 画像。 (b) 薄片状の PMMA/Cu 粉末。 それぞれ、（c）PMMA /Cu-1、（d）PMMA /Cu-2、および（e）PMMA /Cu-3の表面に分散した粉砕PMMAのSEM顕微鏡写真。

図3(a〜c)は、それぞれグラフェン/Cu-1、グラフェン/Cu-2、およびグラフェン/Cu-3の薄片状Cu粉末上でその場成長したグラフェンの形態を表しています。 グラフェン/Cu-1 およびグラフェン/Cu-2 複合粉末では、グラフェン全体がいくつかの Cu 粒界を覆い、Cu マトリックスの粒界がエンボス加工されたグラフェンの下にはっきりと見られ、その場での高い光透過率と良好な結晶性を示しています。グラフェン。 図 3(e) は、六角形の選択視野電子回折 (SAED) パターンを示すグラフェンの TEM 画像を示しています。これは、数層のグラフェンのパターンが明確であることを示しています。 グラフェン/Cu-3複合粉末では、PMMAからの還元生成物のSEM形態はグラフェン/Cu-1およびグラフェン/Cu-2の形態とは大きく異なり、画像では一部の分散グラフェンのみが確認できます。

(a) グラフェン/Cu-1、(b) グラフェン/Cu-2、(c) グラフェン/Cu-3 の SEM 形態。 それぞれ（d）グラフェン/Cu-1、（e）グラフェン/Cu-2、（f）グラフェン/Cu-3のTEM形態。 (g) グラフェン/Cu-1、グラフェン/Cu-2、およびグラフェン/Cu-3のXRDパターン。 (h) グラフェン/Cu-1、グラフェン/Cu-2、およびグラフェン/Cu-3のラマンスペクトル。

さまざまな複合粉末のその場成長グラフェンの形態と品質をさらに調査するために、塩酸で酸性化した CuSO4 溶液を使用して Cu マトリックスを除去し、TEM でグラフェンを観察します。 グラフェン/Cu-1、グラフェン/Cu-2、およびグラフェン/Cu-3からのグラフェンの形態を図3(d–f)に示します。 図 3(d、e) では、画像内でグラフェンのしわが区別できます。また、グラフェンの高い透明度はその極薄構造によるものです。 グラフェン層のサイズはミクロレベルに達しており、比較的コントラストが大きい部分は残留Cu粒子です。 グラフェンはエッチング液に対して強い耐薬品性を持っているため、グラフェン層で覆われたCuは簡単には完全にエッチングされず14、TEM画像ではナノスケールのCu粒子がいくつか残っていることがわかります。 図 3(f) では、PMMA からの製品は波状のエッジ構造を持たず、その光透過率は一部の領域ではあまり理想的ではありません。 SEM、TEM、およびラマンの特性評価から判断すると、PMMA/Cu-3 中の PMMA の質量比は、すべての PMMA をグラフェンに触媒する Cu の能力を超えており、PMMA/Cu-3 の部分還元生成物は薄い炭素であると考えられます。グラフェンの代わりにシートを採用。

図3(g)は、それぞれグラフェン/Cu-1、グラフェン/Cu-2、グラフェン/Cu-3粉末のXRD結果を示しています。 強度の高い 3 つの回折ピークは、面心立方晶 (fcc) Cu の (111)、(200)、および (220) の 3 つの結晶面にそれぞれ対応します。 Cu マトリックスの強い回折ピークがグラフェンからの情報を覆い隠しているため、グラフェンのピークは検出されません。 Cu のピークを除いて、他のピークは検出されず、Cu マトリックスとグラフェンの間の化学的安定性を示しています。 3つの複合粉末のラマンスペクトルを図3(h)に示します。 G バンドは、環と鎖の両方における sp2 炭素ペアの伸縮運動に由来しますが、D バンドは、六角形の sp2 炭素ネットワークの欠陥または有限粒子サイズ効果から生じます 23。 D ピークと G ピークの間の相対強度 (ID/IG) は CNT またはグラフェンの品質を反映しており、比率の値が高いほど欠陥密度が高いことを示している可能性があります 14,24。 グラフェン/Cu-1 およびグラフェン/Cu-2 の ID/IG 比は約 0.76 と測定され、この方法で得られたグラフェンが良好な結晶性と構造的完全性を備えていることを示しています。 PMMA の増加に伴い、グラフェン/Cu-3 の ID/IG 比は 0.9 まで増加し、固体炭素源によってグラフェンの欠陥が増加することが明らかになりました。

従来の方法では、金属マトリックス内に RGO を分散させるためにボールミルが使用されます。 この研究では、Cu 粉末と PMMA をボールミルした後、グラフェンがその場で Cu マトリックス上に成長します。 比較すると、ボールミルによる機械的損傷が完全に回避されるだけでなく、グラフェンとCuマトリックス間の結合が形成されるときにグラフェンの形態も元の完全性を維持することができます。

グラフェン/Cu-2 のグラフェンエッジの高解像度 TEM 画像を図 4(a) に示します。約 3 層のグラフェンを確認できます。 グラフェン層の層間距離は、デジタル顕微鏡を使用してフーリエ変換により測定されます。 測定誤差を考慮し、フーリエ変換および逆フーリエ変換後のグラフェン３層間の間隔を測定することにより、層間間隔０．６６ｎｍが得られる。 したがって、in-situ 成長グラフェンの層間距離は 0.33 nm であり、理論値 (0.34 nm)4 に非常に近く、in-situ 成長グラフェンの品質が良好であることが証明されています。 AFM もサンプルの厚さを測定する効果的な方法です。 図4(b)は、Cuマトリックスのエッチング後のグラフェン/Cu-2複合粉末からその場で成長させたグラフェンの典型的なAFM画像と断面分析を示しています。 画像では 2 枚のグラフェンが重なっており、B、C、A の間の厚さを測定することで厚さが得られます。B と C の領域の厚さはそれぞれ 0.78 nm と 0.41 nm です。 これは、2 つのグラフェンが 3 層と 2 層に分かれていることを意味し、図 4(a) のデータと一致します。

(a) その場成長したグラフェンとその層間空間の HRTEM 画像。 (b) 新たに劈開した雲母に吸収されたその場成長グラフェンの AFM 画像と断面分析。

図 5 は、グラフェン/Cu-1、グラフェン/Cu-2、およびグラフェン/Cu-3 の破面を示しています。 破面のディンプルのうち、グラフェン/Cu-1 およびグラフェン/Cu-2 の破面から引き裂かれたグラフェンがはっきりと確認できました。 特に、グラフェンはホットプレス焼結プロセスの前にCuフレーク上でその場成長されているため、その場成長したグラフェンは凝集することなくグラフェン/Cu-2複合材全体に均一に分散されています（図5（b））。 しかし、グラフェン/Cu-3 (図 5(c)) では、破面のくぼみに薄いカーボンシートが確認できました。 薄いカーボンがマトリックスから分離されており、それらの間に明らかな付着の兆候はありません。

それぞれ、(a) グラフェン/Cu-1、(b) グラフェン/Cu-2、(c) グラフェン/Cu-3 の破面。

純粋な Cu およびグラフェン/Cu 複合材料の機械的特性を表 1 に示します。図 6 に、グラフェン/Cu 複合材料および純粋な Cu の応力-ひずみ曲線を示します。 グラフェン/Cu 複合材料の機械的特性が顕著に向上していることは明らかです。 複合材料の中で、グラフェン/Cu-2 は 274 MPa の引張強度と 244 MPa の降伏強度を示し、純粋な Cu よりもそれぞれ 27.4% と 177% 高くなります。 耐力の強化効果は含浸法（120％）よりも優れています25。 グラフェン/Cu-1 複合材料と比較して、グラフェン含有量の増加に伴い、降伏強度と引張強度の両方が増加します。 ただし、グラフェン/Cu-3 の機械的特性はかなり低いレベルに低下します。 グラフェン/Cu-3 の強化が不十分なため、主に図 1 と 2 に示すような薄いカーボン シートが生成される可能性があります。 これは複合材料の機械的特性に悪影響を及ぼします。 グラフェン/Cu-3 は、他の複合材料と比較して伸びが大幅に低下していることも示しており、複合材料内の薄いカーボンシートの悪影響をさらに示しています。 グラフェン/Cu-1 は純粋な Cu よりも優れた靭性を示し、この結果はグラフェンの優れた弾性率に由来していることに言及することは注目に値します。 この現象は、その場で成長させたグラフェンを使用すると、良好な延性を失うことなく複合材料を強化できることを示しています。 純銅の硬度値は一般的な銅よりもはるかに高く、これはボールミル加工プロセスの冷間硬化の結果です。

純粋な Cu およびさまざまなグラフェン/Cu 複合材料の応力 - ひずみ曲線。

グラフェン/Cu 複合材料内のその場成長グラフェンの正確な含有量を取得するには、熱重量試験を実施して複合材料の質量分率を測定します。 熱重量試験の結果を表 1 にまとめます。複合材料のグラフェン含有量は設計値より低くなります。これは、熱分解した PMMA に由来する炭素原子が大気の流れとともに拡散する可能性があるためです。 私たちは、石英管内の空気流が触媒プロセス中に C 原子の一部を奪い、Cu マトリックス上のグラフェンに触媒された粒子の炭素原子を残すのではないかと考えています。 グラフェン/Cu-3 にはグラフェン以外の薄い炭素シートが多数含まれているため、グラフェン/Cu-3 中のグラフェンの正確な含有量を取得することは容易ではありません。

複合材料の理論上の密度値は、式 (1) から計算できます。

ここで、 、 、 はそれぞれグラフェン/Cu 複合材料、グラフェン、Cu マトリックスの密度です。 および はグラフェンと Cu マトリックスの質量分率です。 グラフェンの密度は = 1.06 g/cm3 26 と推定され、グラフェン/Cu-2 複合材料 (0.95 wt.% グラフェン) の理論密度値は 8.31 g/cm3 です。 テストによると、グラフェン/Cu-2 複合材料の密度は 8.28 g/cm3 と測定され、理論上の密度値に非常に近い値です。 これは、ホットプレス焼結手順が複合材料の完全な緻密化をほぼ実現していることを示しています。

複合材料の電気伝導率は、標準的な焼きなまし銅導体の導電率、国際焼きなまし銅規格 (IACS)25 の 57.5 × 106 S·m−1 に非常に近いです。 導電率は渦電流法により評価します。 純粋な Cu の導電率は 57.1 × 106 S・m−1 と測定され、グラフェン/Cu-1 複合材料、グラフェン/Cu-2 複合材料、およびグラフェン/Cu-3 複合材料の導電率は 57.3 × 106 S・m-1 と測定されます。それぞれ m−1、57.5 × 106 S・m−1、56.4 × 106 S・m−1。 ご覧のとおり、グラフェン/Cu-1 およびグラフェン/Cu-2 の導電率は純粋な Cu よりも優れています。 得られた現場成長グラフェンの欠陥の増加により、グラフェン/Cu-3 の導電性は純粋な Cu および他の 2 つのグラフェン/Cu 複合材料よりも劣ります。 マトリックス内のグラフェンの効果は「導電性フィルム」のようなもので、複合材料内の電流の伝達を保証します。 この観点から、その場成長したグラフェンによって強化されたグラフェン/Cu 複合材料の電気伝導率は、エレクトロニクス用途にとって満足のいくレベルに保たれています。

これまでのところ、MMC の強化メカニズムは多くの理論によって解明されています。 一般に、荷重伝達 27、転位強化 28、固溶強化 29、析出強化 30、および結晶粒微細化 31 が MMC の強化メカニズムと考えられています。 これらのメカニズムの中で、荷重伝達と転位強化は、グラフェン/金属複合材料の強化効果に大きく貢献します22。

強化材とマトリックス間の優れた界面は、複合材料の強化効果を保証する重要な要素です。 複合材料に関しては、多くの要因が界面に影響を与える可能性があり、界面結合が大きな影響を及ぼします。 HRTEM は、グラフェン/Cu-2 複合材料におけるグラフェンと Cu マトリックスの界面を研究するために使用されます。 Cuマトリックス中のC原子の溶解度は極めて低いため、Cuフレーク上にその場成長したグラフェンは非常に薄く、図7(a)に示すようにCuマトリックスとよく接触した界面を形成します。 挿入された HRTEM 画像は、立方晶 Cu の (111) 面に一致する 0.21 nm の格子間隔を示しています。 Cu の (111) 面は、六方晶系グラフェン (573 K での格子定数 2.46 A°) と六方晶系 (573 K での格子定数 2.46 A°) との間の格子整合が緊密であるため、構造的完全性の観点から、エピタキシャル成長において PMMA を触媒して最高品質のグラフェンを生成することができます。 １１１）Ｃｕ（５７３Ｋで格子定数２．５６Ａ°）３２． 分子動力学シミュレーションによると、グラフェンと (111) Cu 界面の間の結合は非常に高い強度を持っています 33。 HRTEM画像ではグラフェン層がはっきりと見え、グラフェンとCuマトリックスの界面に沿ってギャップや不純物は存在せず、その場成長したグラフェンとCuマトリックスの界面結合が高い強度であることを示しています。 引張試験後の変形したグラフェン/Cu-2 複合材料は、強化メカニズムについての洞察を得るために TEM を使用してさらに分析されます。 図7(b)では、グラフェンがマトリックスにしっかりと付着しているのが観察されます。 グラフェンの構造の完全性はホットプレス焼結後もそのまま維持され、グラフェンの凝集は起こりません。 グラフェンの近くに転位が積み重なり、転位密度が他の領域よりも高いことが観察され、グラフェンが変形中の転位の伝播に対する障害として機能していることがわかります。 図7bの挿入図は、転位領域全体に広がるグラフェンを示しています。

(a) グラフェン/Cu-2 複合材料におけるグラフェンと Cu マトリックス間の界面の TEM 形態。 (b) グラフェン/Cu-2 複合材料内のグラフェンの転位強化効果。 (c) 破壊過程におけるグラフェン/Cu の断面図の模式図。

図７（ｃ）は、グラフェン／Ｃｕの断面模式図である。 触媒プロセス中のガス流の影響を考慮すると、少量の C 原子が凸状のグラフェンを形成する可能性があり、グラフェン層の大部分は Cu 粒子にしっかりと付着しています。 したがって、Cu マトリックスとグラフェンの間の十分に接触した界面と良好な結合により、変形中の荷重伝達の効率が保証されます。 複合材料に応力がかかると、グラフェンは変形の過程でマトリックスから伝達される荷重の一定部分に耐えます。 グラフェンはCuよりもはるかに高い強度を持っているため、Cuマトリックスはグラフェンよりも先に破壊されます。 Cuマトリックスの破壊後、グラフェンは長くなり、グラフェンを完全に破壊するには余分な力が必要になりますが、これは破面の形態によって裏付けられます（図5（b））。 グラフェンは深いディンプル内に存在し、Cu マトリックスから引き出されており、荷重伝達が強化効果に重要な役割を果たしていることがわかります。 この模式図は、グラフェン/Cu-1 複合材料の伸びの向上を説明するのにも役立ちます。 グラフェンは弾性率が高いため、破壊の進行を妨げる際に複合材料の靭性も向上させることができます。

複合材料の混合の法則（式(2)）によると

ここで、 、 、 はグラフェン/Cu 複合材料、Cu マトリックスおよびグラフェンの引張強度、 および は Cu マトリックスとグラフェンの体積分率です。

理論的には、グラフェン/Cu-2 複合材料は実際に機械的特性において顕著な改善を示すはずです。 ただし、実際の引張強さの増加は理論値 (4.47 GPa) よりもはるかに小さくなります。 これは主に、ホットプレス焼結プロセス中の Cu フレークの配向の違いによるものです。 図7(c)に示すように、Cuフレークの面が荷重の方向に沿っておらず垂直である場合、Cuフレーク上のグラフェンは強化効果を達成しません。

結論として、構造が損なわれていないグラフェンが Cu マトリックス内に均一に分散されたグラフェン/Cu 複合材料は、薄片状 Cu 粉末上でのグラフェンのその場成長と真空ホットプレスによって首尾よく製造されました。 実験で観察されたグラフェンは、ほとんどがCu粒界上に存在し、薄片状のCu粉末と面-面結合を形成しています。 144 MPa の降伏強度と 274 MPa の引張強度は、0.95 wt.% グラフェンを含むグラフェン/Cu 複合材料で達成され、純粋な Cu よりもそれぞれ 177% および 27.4% 向上します。 マトリックス中のその場成長グラフェンの強化効果は、荷重伝達と転位強化に寄与します。 この方法で製造された複合材料は、グラフェンの優れた弾性率と高強度界面により、Cu マトリックス内でその場成長したグラフェンを使用して強化するだけでなく、靱性を高めることができます。 その場成長したグラフェンを使用したグラフェン/Cu複合材料の新しい製造方法は、MMCの設計と量産にとって有意義です。 元のCu粉末のサイズとホットプレス焼結温度の最適化とこの問題については、今後の研究で研究される予定です。

初期材料には、噴霧化された Cu 粉末 (純度 99.9%、-400 メッシュ) および PMMA 粉末 (純度 99.9%、直径約 80 μm) が含まれます。 最初の粉末は、0.1、0.2、または 0.3 g の PMMA、10 g の Cu 粉末、および 150 g のステンレス鋼ボールを混合することによって生成され、保護雰囲気として aRGOn (Ar) を使用して 400 rpm の速度で 2 時間ボールミル粉砕されました。 CuとPMMAの質量比10:0.1、10:0.2、10:0.3で調製した複合粉末をそれぞれPMMA/Cu-1、PMMA/Cu-2、PMMA/Cu-3とした。

次に、PMMA/Cu 複合粉末を石英管炉 (800 °C に予熱) に入れ、10 分間焼成し、空気中で室温まで急冷しました。 全焼成プロセスは、Ａｒ（２００ｍｌ／分）およびＨ ２ （１００ｍｌ／分）雰囲気下で行われた。 焼成後の複合粉末は、後にそれぞれグラフェン/Cu-1、グラフェン/Cu-2、およびグラフェン/Cu-3と呼ばれました。 次に、グラフェン/Cu複合粉末をグラファイトダイに入れ、真空下（10−4 MPa未満）、50 MPaの圧力を使用して800 °Cで1時間ホットプレスして、φ45 × 3 mm3のサンプルを作成しました。 比較のために、同じプロセスを通じて純粋なCuバルクサンプルも作製しました。

純粋なCu、PMMA/Cuおよびグラフェン/Cu粉末の形態は、走査型電子顕微鏡（SEM、HITACHI S4800）を使用して観察されました。 TEM 観察用の薄箔は、-30 °C に冷却した 30% 硝酸と 70% メタノール溶液の溶液中で 100 mA でツインジェット電解研磨して作成し、JEM-2100F 透過型電子顕微鏡 (TEM) で観察しました。 JEM-2100F 高解像度透過型電子顕微鏡を使用して、グラフェンの形態を特徴付けました。 532 nm レーザーを備えたマイクロラマン分光計 (Renishaw、inVia 顕微鏡) を使用して、PMMA から成長させたグラフェンの品質を研究しました。 粉末Ｘ線回折（ＸＲＤ）パターンは、Ｒｉｇａｋｕ Ｄ／ｍａｘ回折計を使用し、波長１．５４０６ÅのＣｕ Ｋα放射線を用いて記録した。 熱重量分析は、TGA 9000熱重量分析装置で実施した。 ビッカース硬度試験は EveroneMH-6 マシンで実施されました。 引張試験サンプルを 17 × 5 × 2 mm3 のサイズの試験片に機械加工し、CSS-44100 電子万能試験機で 1 mm/min の荷重速度で引張試験を実行しました。

この記事を引用する方法: Chen, Y. et al. その場成長グラフェン強化Cuマトリックス複合材料の作製。 科学。 議員第6号、19363年。 土井: 10.1038/srep19363 (2016)。

Park, S. & Ruoff, RS グラフェンを製造するための化学的方法。 自然ナノテクノロジー。 4、217–224 (2009)。

記事 CAS ADS Google Scholar

Lee, C.、Wei, XD、Kysar, JW & Hone, J. 単層グラフェンの弾性特性と固有強度の測定。 科学。 321、385–388 (2008)。

記事 CAS ADS Google Scholar

Ruan、GD、Sun、ZZ、Peng、ZW & Tour、JM 食品、昆虫、廃棄物からのグラフェンの成長。 アックスナノ。 5、7601–7607 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

サン、ZZ 他固体炭素源からのグラフェンの成長。 自然。 468、549–552 (2010)。

記事 CAS ADS Google Scholar

リー、ZCら。 固体および液体炭素源を使用した化学蒸着によるグラフェンの低温成長。 アックスナノ。 5、3385–3390 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

Li, D.、Müller, MB、Gilje, S.、Kaner, RB & Wallace, GG グラフェン ナノシートの加工可能な水性分散液。 ネイチャーナノテクノロジー。 3、101–105 (2008)。

記事 CAS ADS Google Scholar

Pérez-Bustamante, R.、Bolaños-Morales, D.、Bonilla-Martínez, J.、Estrada-Guel, I. & Martínez-Sánchez, R. メカニカルアロイングによって合成されたグラフェン-ナノプレートレット/アルミニウム複合材料の微細構造と硬度挙動。 J合金組成 615、578–582 (2014)。

記事 Google Scholar

Tang、YX、Yang、XM、Wang、RR & Li、MX グラフェン - ニッケル ハイブリッドによるグラフェン - 銅複合材料の機械的特性の強化。 Mater Sci Eng A. 599、247–254 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

Yang、YC、Rigdon、W.、Huang、XY & Li、XD 水素不動態化による分散による複合材料のグラフェン強化の可能性の強化。 Sci Rep. 3 (2012)、10.1038/srep02086。

Xu、ZSら。 多層グラフェンで強化された TiAl マトリックス複合材料の調製と摩擦学的特性。 炭素。 67、168–177 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

Bastwrosa、M. et al. 半固体焼結によって製造されたグラフェン強化Al6061複合材料に対するボールミリングの効果。 複合材料 B. 60、111–118 (2014)。

記事 Google Scholar

Choi, SM、Seo, MH、Kim, H. & Kim, WB H2 雰囲気中での熱処理を伴う含浸法によるグラフェン担持金属ナノ粒子の合成と特性評価。 合成金属。 161、2405–2411 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

Bartolucci、SF et al. グラフェンとアルミニウムのナノ複合材料。 Mater Sci Eng A. 528、7933–7937 (2011)。

記事 CAS Google Scholar

ファン・ジェイら。 分子レベルの混合プロセスを使用したグラフェン/銅ナノ複合材料の機械的特性の強化。 アドバンスメーター。 25、6274–6279 (2013)。

Google スカラー

リー、JLら。 クライオミリングによって調製されたバルクナノ構造アルミニウム/グラフェン複合体の微細構造と引張特性。 Mater Sci Eng A. 626、400–405 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Chu, K. & Jia, CC バルクグラフェンと銅の複合材料の強度が向上しました。 Phys Status Solidi A. 211、184–190 (2014)。

記事 CAS ADS Google Scholar

Kim、WJ、Lee、TJ、Han、SH 多層グラフェン/銅複合材料: 高比速度圧延、微細構造および機械的特性を使用した調製。 炭素。 69、55–65 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

Shin、SE、Choi、HJ、Shin、JH、Bae、DH 数層のグラフェン/アルミニウム複合材料の強化挙動。 炭素。 82、143–51 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

リー、Ｚら。 グラフェン/アルミニウム複合材料の製造のための直接静電吸着によるアルミニウム粉末への酸化グラフェンの均一な分散。 自然ナノテクノロジー。 25 (2014)、10.1088/0957-4484/25/32/325601。

ヤン、SJ 他グラフェンナノフレークで強化されたアルミニウム合金の研究。 Mater Sci Eng A. 612、440–444 (2014)。

記事 CAS Google Scholar

Pavithra、CLP、Sarada、BV、Rajulapati、KV、Rao、TN、Sundararajan、G。高硬度の銅グラフェン ナノ複合箔を合成するための新しい電気化学的アプローチ。 Sci Rep. 4 (2014)、10.1038/srep04049。

王、JYら。 アルミニウムマトリックス複合材料のグラフェンナノシートで補強。 SCRメーター。 66、594–597 (2012)。

記事 CAS Google Scholar

フェラーリ、AC 他グラフェンとグラフェン層のラマンスペクトル。 物理学者のLett. 97 (2006)、10.1103/PhysRevLett.97.187401。

彼、CNら。 強化された Al マトリックス複合材料を調製するために、Al 粉末中に均一に分散したカーボン ナノチューブを得るアプローチ。 アドバンスメーター。 19、1128–1132 (2007)。

記事 CAS Google Scholar

Xiong、DBら。 プリフォーム含浸プロセスによって製造されたグラフェンと銅の人工真珠層: 金属マトリックス複合材料の強化・靭性向上のための生物からインスピレーションを受けた戦略。 ACSナノ。 9、6934–6943 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

マサチューセッツ州ラフィーらグラフェン含有量が低い場合でもナノコンポジットの機械的特性が強化されます。 ACSナノ。 3、3883–3390 (2009)。

記事 Google Scholar

Qian, D.、Dickey, EC、Andrews, R. & Rantell, T. カーボン ナノチューブ - ポリスチレン複合材料における荷重伝達と変形のメカニズム。 応用物理学レター。 76、2868–2870 (2000)。

記事 CAS ADS Google Scholar

張、JX 他。 第 4 世代単結晶 TMS-138 超合金を強化する界面転位ネットワーク。 Metall Mater Trans A. 33、3741–3746 (2002)。

記事 Google Scholar

Schuh, CA、Nieh, TG、Iwasaki, H. 固溶体 W の添加がナノ結晶 Ni の機械的特性に及ぼす影響。 アクタ・メーター。 51、431–433 (2003)。

記事 CAS Google Scholar

Huang、SY et al. 高温でのその場中性子回折研究によって明らかになった、析出強化フェライト超合金の変形メカニズム。 アクタ・メーター。 83、137–148 (2015)。

記事 CAS Google Scholar

Greer, AL、Bunn, AM、Tronche, A.、Evans, PV & Bristow, DJ 金属溶融物の接種のモデリング: Al によるアルミニウムの結晶粒微細化への応用。 アクタ・メーター。 48、2823–2835 (2000)。

記事 CAS Google Scholar

Gao L.、ゲスト、JR および Guisinger、NP Cu 上のエピタキシャル グラフェン (111)。 ナノレット。 10、3512–3516 (2010)。

記事 CAS ADS Google Scholar

Xu ZP および Buehler、MJ グラフェンと金属基板間の界面構造と力学: 第一原理研究。 J Phys は物質を凝縮します。 22、(2010)、10.1088/0953-8984/22/48/485301。

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著者らは、中国国立自然科学財団（助成金番号 51531004）による財政的支援に感謝します。

天津大学材料科学工学部複合機能材料主要研究室、300072、天津、中国

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

天津大学化学科学工学共同イノベーションセンター、300072、天津、中国

Enzuo Liu、Chunian He、Naiqin Zhao

熱処理技術センター、イリノイ工科大学、シカゴ、60616、IL、米国

フィリップ・ナッシュ

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著者らは、競合する経済的利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Chen, Y.、Zhang, X.、Liu, E. 他その場成長グラフェン強化Cuマトリックス複合材料の作製。 Sci Rep 6、19363 (2016)。 https://doi.org/10.1038/srep19363

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受信日: 2015 年 9 月 30 日

受理日: 2015 年 12 月 11 日

公開日: 2016 年 1 月 14 日

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

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