Fabbricazione di in

Scientific Reports volume 6, numero articolo: 19363 (2016) Citare questo articolo

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I compositi grafene/Cu sono stati fabbricati attraverso un approccio di crescita in situ del grafene, che prevedeva la macinazione a palle di polveri di Cu con PMMA come fonte di carbonio solido, la crescita in situ del grafene su polveri di Cu traballanti e la sinterizzazione sotto vuoto con pressa a caldo. I risultati della caratterizzazione SEM e TEM hanno indicato che il grafene coltivato in situ su polveri di Cu garantisce una dispersione omogenea e una buona combinazione tra grafene e matrice di Cu, nonché la struttura intatta del grafene, che è benefica per il suo effetto rinforzante. La resistenza allo snervamento di 244 MPa e la resistenza alla trazione di 274 MPa sono state raggiunte nel composito con lo 0,95% in peso di grafene, che rappresentavano separatamente un miglioramento del 177% e del 27,4% rispetto al Cu puro. L’effetto di rafforzamento del grafene coltivato in situ nella matrice ha contribuito al trasferimento del carico e al rafforzamento della dislocazione.

La struttura unica contenente pochi strati di atomi di carbonio ibridati sp21 in un reticolo esagonale conferisce al grafene proprietà meccaniche e funzionali superiori, come resistenza meccanica e modulo di Young incomparabili, conduttività termica estremamente elevata e mobilità dei portatori di carica2,3,4,5. Pertanto, i compositi a matrice metallica (MMC) rinforzati con grafene hanno attirato molta attenzione negli ultimi anni, poiché hanno un grande potenziale per ottenere prestazioni elevate per soddisfare i requisiti di elevata resistenza, buona tenacità e leggerezza6,7,8,9 ,10,11. Tuttavia, gli atomi sospesi sui bordi del grafene rendono il grafene instabile ed estremamente probabile che si agglomeri o addirittura si ricomponga per formare sottili fogli di carbonio o grafite tramite la forza di van der Waals e la reazione π − π12, con conseguenti grandi difficoltà nella fabbricazione di MMC.

Finora, il grafene utilizzato per fabbricare MMC è tutto aggiunto ex situ alla matrice metallica. La maggior parte della ricerca si è concentrata sulla combinazione di polveri metalliche con ossido di grafite ridotto (RGO) e nanopiastrine di grafene (GNP) attraverso l'integrazione chimica o l'integrazione meccanica per ottenere una dispersione desiderabile del grafene all'interno della matrice metallica. Per il metodo di integrazione chimica, è stato impiegato l'adsorbimento elettrostatico tra ioni Al idrolizzati e ossido di grafite (GO) caricato negativamente per ottenere la dispersione desiderata di GO su polveri di Al13. Jaewon Hwang et al.14 hanno sintetizzato polveri composite RGO/Cu mescolando GO con una soluzione Cu(CH3COO)2 e ulteriore riduzione. Tuttavia, la riduzione incompleta di GO e la riunione di RGO nel processo di riduzione potrebbero influenzare l’effetto rinforzante del grafene. D'altra parte, l'integrazione meccanica mediante macinazione meccanica di polveri metalliche e grafene è ampiamente utilizzata per ottenere una dispersione uniforme del grafene all'interno di una matrice metallica. Ad esempio, Li et al.15 hanno aggiunto RGO alle polveri di Al e hanno realizzato una combinazione tra RGO e polveri di Al attraverso la criomillazione. Un'elevata dispersione del grafene in una matrice metallica è ottenuta mediante macinazione a palle di GNP con polveri metalliche, durante la quale il GNP è stato spogliato e disperso all'interno della matrice16,17. La macinazione a sfere è un metodo semplice e praticabile, ma introduce inevitabilmente molti difetti nel grafene, il che è anche dannoso per il suo effetto rinforzante5,6,7,14. Pertanto, sebbene numerosi lavori abbiano dimostrato che le MMC potrebbero essere rinforzate con l'aggiunta di grafene, le carenze dei metodi convenzionali che utilizzano RGO o GNP come rinforzi aggiunti direttamente nella matrice metallica hanno limitato il progresso della ricerca17,18,19. Pertanto, è di grande valore fabbricare MMC rinforzati con grafene coltivato in situ nei futuri lavori in quest’area.

I compositi a matrice di Cu presentano un'ampia gamma di applicazioni in diversi settori, come quello automobilistico, della microelettronica e così via20. I rinforzi tradizionali utilizzati per fabbricare compositi a matrice di Cu come ossidi e nanoparticelle di carburo determinano un miglioramento significativo delle proprietà meccaniche del Cu21. Tuttavia, la scarsa conduttività elettrica e termica di questi rinforzi li rende inadatti alle applicazioni elettroniche. Pertanto, il grafene con struttura intatta come rinforzo per il composito di Cu ha un grande potenziale per fabbricare un composito desiderabile a matrice di Cu. Recentemente, Wang et al.22 hanno realizzato PMMA rivestito in modo uniforme sulle superfici di polveri metalliche con l'aiuto di alcol polivinilico (PVA) come legante e hanno inoltre ottenuto grafene cresciuto in situ all'interno della matrice metallica. Inoltre, il monostrato di grafene cresciuto in situ su matrice di Cu è stato ottenuto catalizzando PMMA rivestito su fogli di Cu4. Pertanto, il grafene coltivato in situ all’interno di una matrice di Cu fornisce direttamente un buon approccio per superare i colli di bottiglia causati dall’integrazione chimica e dall’integrazione meccanica e per ottenere una buona dispersione del grafene all’interno di una matrice di Cu.