Copper matrix composites strengthened with carbon nanotubes or graphene platelets prepared by ball milling and vacuum hot pressing

• Autorzy: Stolarska J. , Dutkiewicz J. , Maziarz W. , Pstruś J. , Wójcik A. , Ozga P.

Warianty tytułu

PL

Kompozyty na osnowie miedzi wzmacniane nanorurkami węglowymi lub płatkami grafenowymi wytworzone poprzez mielenie proszków i prasowanie na gorąco w próżni

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this study copper matrix composites with two types of additions i.e. graphene platelets in the amount of 1÷2 wt.% or multiwall carbon nanotubes in the amount of 1÷3 wt.% were studied. Two types of graphene platelets were applied: of a fine thickness of 2÷4 nm and coarser of a 10÷20 nm plate thickness. The addition of finer graphene platelets to copper causes less strengthening, but smaller electrical resistivity, while the addition of MWCNTs causes an increase in hardness in comparison to graphene platelets and slightly higher resistivity growing with the amount of nanotubes. SEM and TEM studies allowed to determine that carbon nanotubes and copper grain size are refined during milling which does not change after consolidation. In the samples with graphene, a more homogeneous distribution of platelets was observed in the case of fine graphene, while platelet conglomerates in the case of coarser graphene tend to occur after the consolidation process at the copper particle boundaries.

PL

W niniejszej pracy opracowano sposób wytworzenia kompozytów na osnowie miedzi, wzmacnianych różnymi typami węgla, tj. wielościennymi nanorurkami węglowymi w ilości 1÷3% obj. oraz płatkami grafenowymi w ilości 1÷2% wag. Wytypowano dwa rodzaje płytek grafenowych dostępnych komercyjnie pod nazwą: N006 o grubości 10÷20 mm oraz cieńsze FL-RGO o grubości 2÷4 mm. Dodawanie drobniejszych płatków grafenowych do miedzi powoduje mniejsze umocnienie i mniejszy opór elektryczny, natomiast dodanie wielościennych nanorurek węglowych (MWCNTs) powoduje wzrost twardości w porównaniu do płatków grafenu i niewiele większą oporność wzrastającą wraz z ilością nanorurek. Badania na skaningowym mikroskopie elektronowym SEM oraz transmisyjnym mikroskopie elektronowym TEM pozwoliły ustalić, że mieszanina MWCNTs oraz proszku miedzi podczas mielenia w młynie kulowym zmienia się, tworząc najpierw duże konglomeraty, a po 32 godzinach mniejsze ziarna miedzi oraz rozdrobnione nanorurki. Ponadto analiza badań ze spektroskopii Ramanowskiej ujawniła, że nanorurki węglowe ulegają pewnego rodzaju deformacji, zwiększając tym samym stopień zdefektowania. W kompozytach z dodatkiem grafenu stwierdzono bardziej jednorodny rozkład płatków w ziarnach miedzi w przypadku drobnego grafenu, podczas gdy w przypadku grubszych płatków grafenu tworzą się konglomeraty, które po procesie konsolidacji występują na granicach cząstek proszku miedzi.

Słowa kluczowe

EN

copper composites; carbon nanotube; graphene platelets; electron microscopy

PL

kompozyty metalowe; mikrostruktura; struktura gradientowa; kompozyty odlewane

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Materiałów Kompozytowych
• Czasopismo: Composites Theory and Practice
• Rocznik: 2015
• Tom: R. 15, nr 3
• Strony: 174--180
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Stolarska J.

• Institute of Metallurgy and Materials Science PAS, ul. Reymonta 25, 30-059 Kraków, Poland

autor

Dutkiewicz J.

• Institute of Metallurgy and Materials Science PAS, ul. Reymonta 25, 30-059 Kraków, Poland

autor

Maziarz W.

• Institute of Metallurgy and Materials Science PAS, ul. Reymonta 25, 30-059 Kraków, Poland

autor

Pstruś J.

• Institute of Metallurgy and Materials Science PAS, ul. Reymonta 25, 30-059 Kraków, Poland

autor

Wójcik A.

• Institute of Metallurgy and Materials Science PAS, ul. Reymonta 25, 30-059 Kraków, Poland

autor

Ozga P.

• Institute of Metallurgy and Materials Science PAS, ul. Reymonta 25, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Sie Chin Tjong, Recent progress in the development and properties of novel metal matrix nanocomposites reinforced with carbon nanotubes and graphene nanosheets, Mater. Sci. Eng. R 2013, 74, 281-350.
• [2] Kim K.T., Cha S.I., Hong S.H., Hong S.H., Microstructures and tensile behavior of carbon nanotube reinforced Cu matrix nanocomposites, Mater. Sci. Eng. A 2006, 430, 27-33.
• [3] Cho S., Kikuchi K., Miyazaki T., Takagi K., Kawasaki A., Tsukada T., Multiwalled carbon nanotubes as a contributing reinforcement phase for the improvement of thermal conductivity in copper matrix composites, Scr. Mater. 2010, 63, 375-378.
• [4] Uddin S.M., Mahmud T., Wolf C., Glanz C., Kolaric I., Volkmer C., Höller., Wiencke U., Roth S., Fecht H.-J., Effect of size and shape of metal particles to improve hardness and electrical properties of carbon nanotube rreinforced copper and copper alloy composites, Composites Sci. Technol. 2010, 70, 16, 2253.
• [5] Cho S., Kikuchi K., Kawasaki A., On the role of amorphous intergranular and interfacial layers in the thermal conductivity of a multi-walled carbon nanotube-copper matrix composite, Acta Mater. 2012, 60, 726-736.
• [6] Shukla A.K., Nayan N., Murty S.V.S.N., Sharma S.C., Mondal K., Chandran P., Bakshi S.R., George K.M., Processing of copper-carbon nanotube composite powders by vacuum hot pressing technique, Mater. Sci. Eng. A 2013, 560, 365-371.
• [7] Kim K.T., Cha S.I., Hong S.H., Hong S.H., Microstructure and tensile behavior of carbon nanotube reinforced Cu matrix nanocomposite, Mater. Sci. Eng. A 2006, 430, 27-33.
• [8] Hassan M.T.Z., Esawi A.M.K., Metwalli S., Effect of carbon nanotube damage on the mechanical properties of aluminium-carbon nanotube composites, Journal of Alloys and Compounds 2014, 607, 215-222.
• [9] Shukla A.K., Nayan N., Murty S.V.S.N., Mondal K., Sharma S.C., George K.M., Bakshi S.R., Processing copper-carbon nanotube composite powders by high energy milling, Materials Characterization 2013, 84, 58-66.
• [10] Koppad P.G., Aniruddha Ram H.R., Ramesh C.S., Kashyap K.T., Koppad R.G., On thermal and electrical properties of multiwallled carbon nanotubes/copper matrix nanonocomposites, Journal of Alloys and Compounds 2013, 12, 527-532.
• [11] Yoo S.J., Han S.H., Kim W.J.. A combination of ball milling and high-ratio differential speed rolling for synthesizing carbon nanotube/copper composites, Carbon 2013, 61, 487-500.
• [12] Stefov V., Nadojski M., Bogoeva-Gaceva G., Buzarovska A., Properties assessment of multiwalled carbon nanotubes: A comparive study, Synthetic Metals 2014, 197, 159-167.
• [13] Madavali B., Lee J.-H., Lee J.K., Cho K.Y., Challapalli S., Hong S.-J., Effect of atmosphere and miling time on the coarsening of copper powders during mechanical milling. Powder Technol. 2014, 256, 251-256.
• [14] Liu X.-Y., Xiang X.-Z., Niu F., Bai X.-J., Properties of copper/graphite/carbon nanotubes composite reinforced by carbon nanotubes, Rare Metals 2013, 32(3), 278-283.
• [15] Dutkiewicz J., Ozga P., Maziarz W., Pstruś J., Kania B., Bobrowski P., Stolarska J., Microstructure and properties of bulk copper matrix composites strenghtened with various kinds of graphene nanoplatelets, Mater. Sci. Eng. A 2015, 628, 124-134.