Copper-Graphene Composite Materials : Manufacturing Technology and Properties

• Autorzy: Majewski Tomasz , Sarzyński Marcin , Sienkiewicz Judyta , Szawłowski Jerzy , Babul Tomasz , Jończyk Sylwester

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0013.6485

Warianty tytułu

PL

Kompozyty miedź-grafen : technologia i właściwości

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The article presents the results of preliminary research into the feasibility of copper-graphene composite application in the production of shaped charge liners in HEAT ammunition from graphene-coated copper grain powders by powder metallurgy techniques. Copper powder grains were coated with graphene with a machine and process developed at the Institute of Precision Mechanics in Warsaw (Poland). The characteristics of the applied powdered materials (including particle size distribution) were determined in this work. The paper discloses the result of graphene identification by Raman spectroscopy. The presence of graphene was confirmed in the processed copper powder. The paper discusses the preparation of copper powder by grinding (refinement) and reduction for consolidation. Powder mixtures of pure copper and graphene powder were applied at different component ratios. P/M compacts and sinters (agglomerates) for the test specimens were made from the proposed mixtures by die pressing and sintering in dissociated ammonia gas. Examples of microstructures and selected test results of material properties are shown for the produced sinters. The paper shows a selection of test results for the copper-graphene composites produced by PPS (Pulse Plasma Sintering) from 100% graphene-coated copper powder. The properties of the produced composite materials were determined, including their density, porosity, and a selection of mechanical properties identified by DSI (Depth Sensing Indentation). It was found that the copper-graphene composite met the primary design criteria applied to shaped charged liners for HEAT munitions. In “traditional” powder metallurgy processes, high-density products can be produced if the composite material features a low content of graphene-coated copper powder; PPS, however, makes the production viable with 100% graphene-coated copper powder.

PL

W artykule przedstawiono wyniki wstępnych badań dotyczących możliwości zastosowania kompozytu miedź-grafen, jako materiału przeznaczonego do wytwarzania wkładek kumulacyjnych amunicji przeciwpancernej technologią metalurgii proszków z proszków miedzi pokrytych grafenem. Grafenowanie proszków realizowane było w oparciu o urządzenie i technologię opracowaną w InstytucieMechaniki Precyzyjnej w Warszawie. W pracy określono charakterystyki zastosowanych proszków (np. rozkład granulometryczny) oraz pokazano wyniki dotyczące identyfikacji grafenu na podstawie analiz wykonanych metodą spektroskopii Ramanowskiej. Potwierdzono obecność grafenu na proszkach miedzi. Przedstawiono informacje dotyczące przygotowania proszku do procesu konsolidacji, obejmujące jego rozdrabnianie i redukcję. Zastosowano mieszanki proszków czystej miedzi z proszkiem grafenowanym o różnych proporcjach. W celu wytworzenia wyprasek i spieków (w postaci próbek badawczych) z zaproponowanych składów mieszanek zastosowano prasowanie matrycowe oraz piekanie w atmosferze zdysocjowanego amoniaku. Przedstawiono przykładowe obrazy mikrostruktury oraz wybrane wyniki badań właściwości otrzymanych spieków. W pracy przedstawiono również wybrane wyniki badań kompozytów miedźgrafen wytwarzanych metodą PPS (Plasma Puls Sintering) z grafenowanego proszku miedzi (zaw. 100%). Określono podstawowe właściwości otrzymanych kompozytów, tj. m.in. gęstość, porowatość oraz wybrane właściwości mechaniczne wyznaczone metodą DSI (Depth Sensing Indentation). Stwierdzono, że kompozyt miedź-grafen spełnia główne wymagania stawiane materiałowi na wkładki kumulacyjne. W przypadku „tradycyjnych” technologii metalurgii proszków uzyskanie wyrobu o wysokiej gęstości możliwe jest w przypadku kompozytu o ograniczonej zawartości grafenowanego proszku miedzi, natomiast dla technologii PPS również dla 100% zawartości proszku grafenowanego.

Słowa kluczowe

EN

powder metallurgy; shaped charge liners; graphene

PL

metalurgia proszków; wkładki kumulacyjne; grafen

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Problemy Mechatroniki : uzbrojenie, lotnictwo, inżynieria bezpieczeństwa
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 10, Nr 4 (38)
• Strony: 37--54
• Opis fizyczny: Bibliogr. 20 poz., rys., wykr., tab.

Twórcy

autor

Majewski Tomasz

• Military University of Technology, Faculty of Mechatronics and Aerospace, Institute of Armament Technology, Warsaw, Poland

autor

Sarzyński Marcin

• Military University of Technology, Faculty of Mechatronics and Aerospace, Institute of Armament Technology, Warsaw, Poland

autor

Sienkiewicz Judyta

• Military University of Technology, Faculty of Mechatronics and Aerospace, Institute of Armament Technology, Warsaw, Poland

autor

Szawłowski Jerzy

• Łukasiewicz Research Network - Institute of Precision Mechanics, Warsaw, Poland

autor

Babul Tomasz

• Łukasiewicz Research Network - Institute of Precision Mechanics, Warsaw, Poland

autor

Jończyk Sylwester

• Łukasiewicz Research Network - Institute of Precision Mechanics, Warsaw, Poland

Bibliografia

• [1] Walters P. William, Jonas A. Zukas. 1989. Fundamentals of shaped charges. New York- Chichester-Bisbane-Toronto-Singapore: JohnWiley and Sons.
• [2] Nowak Henryk, Dionizy Smoleński. 1974. Ładunki kumulacyjne w wojsku i górnictwie. Warszawa: Wydawnictwo MON.
• [3] Jackowski Adam. 2002. Rola porowatości materiału wkładki w procesie formowania strumienia kumulacyjnego. Rozprawa habilitacyjna. Warszawa: Wydawnictwo Wojskowej Akademii Technicznej.
• [4] Lichtenberger Andre. 1992. The influence of grain size and quality of nickel-based liners on the ductility of shaped charge jets. In Proceednigs of the 13th International Symposium on Ballistics 377-384. 1-3 June 1992 Stockolm, Swedeen.
• [5] Lichtenberger Andre. 1995. Ductile Behavior of Some Materials in the Shaped Charge Jet. In Proceedings of International Conference on Metallurgical and Materials Application of Shock-Wave and HighStrain-Rate Phenomena (Explomet’95) 463-479. Amsterdam, New York: Elsevier Science.
• [5] Cowan G. Kenneth et.al. 1996. Characterization of shaped charges containing heavy metal conical liners. In Proceedings of the 16th International Symposium on Ballistics 613-622. San Francisco, USA.
• [7] Tie Fu Wang, He Rong Zhu, Wen Jun Ruan, Jian Long Zhou. 1995. Investigation of Depleted Uranium Shaped Charge Liners. In Proceedings of the 15th International Symposium on Ballistics 381 386. Jerusalem, Israel.
• [8] McLean Donald. 1957. Grain Boundaries in Metals. Oxford at the Clarendon Press.
• [9] Reinders Beren-Otten, Klaus Weimann. 1990. Influence of Grain Size on the Deformation Behavior of Armco Iron. In Proceedings of the 12th International Symposium on Ballistics 390 399. San Antonio, Texas USA.
• [10] Da Costa Viana Carlos Sérgio, Luciana Pena Mello Bandao, Carlos Nelson Elias. 1987. The Effect of Microstructural Features and Mechanical Properties on the Performance of a Shaped Charge Prototype. In Proceedings of the 10th International Symposium on Ballistics. San Diego, California USA.
• [11] Lichtenberger Andre et.al. 1981. Influence of the Structural and Metallurgical State of Liner on the Performance of a Shaped Charge. In Proceedings of the 6 th International Symposium on Ballistics 213÷218. Orlando, Florida, USA, 27÷29 October 1981.
• [12] Chanteret Pierre Yves, Andre Lichtenberger. 1995. Bimetallic Liners and Coherence of Shaped Charge Jets. In Proceedings of the 15th International Symposium on Ballistics 143÷150. Jerusalem, Israel.
• [13] Mostert J. Frederik, Klaus D. Werneyer. 1995. Analysis of Jet Properties of Different Liner Materials manufactured Under Various Conditions. In Proceedings of the 15th International Symposium on Ballistics 297÷304. Jerusalem, Israel.
• [14] Wang Tie Fu, Zhu He Rong, Ruan Wen Jun, Zhou Jian Long. 1995. Investigation of Depleted Uranium Shaped Charge Liners. In Proceedings of the 15th International Symposium on Ballistics 381÷386. Jerusalem, Israel.
• [15] Wang Tie Fu, Zhu He Rong, Zhou Jian Long, Ma Hong Wei. 1992. Copper-Tungsten Shaped Charge Liners and Its Performance. In Proceedings of the 13th International Symposium on Ballistics 387÷392. Stockholm, Sveden.
• [16] Nguyen Cu Hai. 1992. Hypervelocity Sandblasting by means of Shaped-Charge Jets Made of Fine Powder Materials. In Proceedings of the 13th International Symposium on Ballistics 497÷504. Stockholm, Sveden.
• [17] Brown E. Ronald, Mark E Majerus. 1998. Evidence of Shear-Induced Instability in Tungsten Jets. In Proceedings of the 17th International Symposium on Ballistics. Midrand, South Africa.
• [18] German M. Randall. 1994. Powder Metallurgy Science. Metal Powder Industries Federation. USA.
• [19] Geim Konstantynowicz Andriej, Konstantin Siergiejewicz Novoselov. 2007 „The rise of graphene”. Nature Materials 6 : 183-191.
• [20] Gao Xin, Hongyan Yue, Erjun Guo, Hong Zhang, Xuanyu Lin, Longhui Yao, bao Wang. 2016. “Mechanical Properties and thermal conductivity of grapheme reinforced copper matrix composites”. Powder Technology 301: 601-607.

Uwagi

1. The research project was financed by the Polish National Centre for Research and Development under Research Project no. DOB-BI08/03/01/2016.

2. W bibliografii brak pozycji nr 6. Pozycja nr 5 powtarza się dwa razy.