【摘 要】
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在铜基复合材料中,由于其增强体（碳纳米管、石墨烯）与铜基体润湿性较差,在与铜基复合材料复合时极易发生无法均匀分散引起团聚现象,造成界面结合能力差,使其对铜基复合材料的力学强化效果不明显或者造成更大的缺陷,明显未能达到起初实验设计要求;不仅如此,弱的结合界面形成电子势垒、电子散射,严重影响铜基复合材料的电学性能。虽然研究工作者们一直研发新的工艺去改善碳纳米材料在金属基中存在的这些问题,但始终没有合适
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在铜基复合材料中,由于其增强体（碳纳米管、石墨烯）与铜基体润湿性较差,在与铜基复合材料复合时极易发生无法均匀分散引起团聚现象,造成界面结合能力差,使其对铜基复合材料的力学强化效果不明显或者造成更大的缺陷,明显未能达到起初实验设计要求;不仅如此,弱的结合界面形成电子势垒、电子散射,严重影响铜基复合材料的电学性能。虽然研究工作者们一直研发新的工艺去改善碳纳米材料在金属基中存在的这些问题,但始终没有合适的方法在根本上解决这些问题。为此,本文探寻了一种新的碳纳米材料研究其对增强铜基复合材料的可行性,并对新的碳纳米材料——碳量子点（CQD）的微观结构、物相组成进行了一定分析研究;以CQD为增强体,对CQD/Cu复合材料和CQD/Cu-Ti合金复合材料的制备、界面结构、性能和增强机制进行了研究。实验结果表明:（1）通过一步水热法制备了以柠檬酸和乙二胺为前驱体的CQD,其粒径在0.24 nm左右;在室温下中表现出长期的均匀性,没有明显聚合沉淀现象。对CQD进行了物相分析和微观表征发现CQD核心主要由sp2杂化碳原子组成,表面存在各种亲水性官能团（如羟基、氨基、羧基）。这使得CQD能够为与铜基粉末复合过程中提供结合位点,使这些基团易与铜产生化学反应,生成Cu-O-C键,从而改善碳与铜基体润湿性较差的问题。随着水热反应温度逐渐升高,含氧官能团逐步分解,类聚合物碳点发生碳化,CQD晶格常数变大,具有结晶性的碳含量增多,在后续与Cu-Ti合金结合的过程中,更易生成第二相产物——碳化物。形成了新的界面,进而提高铜基复合材料的界面结合强度,使其力学性能得以提高。（2）通过了分子级共混法制备了CQD/Cu2O复合材料粉末,CQD均匀分在在铜基体中,并形成化学键Cu-O-C将CQD和铜基体牢固的结合在一起,有效的改善了界面结合能力,并形成了半共格界面。结果表明,CQD/Cu复合材料和CQD/Cu-Ti合金复合材料的抗拉强度（UTS）和屈服强度（YS）均有很大程度的提高,当CQD含量为0.4 wt.%时,CQD/Cu复合材料的UTS为271 MPa,比相同方法制备的纯铜样品提高了约31%;电导率达到了94.8 IACS%,与相同条件下制备的纯铜的电导率96.6 IACS%非常接近。而CQD/Cu-Ti合金复合材料的UTS和YS分别达到了407 MPa、350 MPa。在CQD含量为0.2 wt.%时,复合材料表现出较好的延伸率,均比其他质量分数CQD的复合材料要高出许多,其中,0.2 wt.%CQD/Cu的延伸率（EL）为37.3%;0.2 wt.%CQD/Cu-Ti的EL为34.9%,比纯Cu/Cu-Ti合金复合材料的EL还高出2.3倍。（3）通过对CQD增强铜基复合材料的强化机理进行分析发现,当CQD质量分数≤0.2 wt.%时,在CQD/Cu-Ti合金复合材料中生成的Ti C较少,强化机制和CQD/Cu复合材料相似,主要通过铜和碳原子的共价键Cu-O-C键增强碳与金属之间键合的形式来改善了铜基体与碳之间的界面结合能力和载荷转移效率;其次,通过细晶强化的协同作用,使得CQD/Cu复合材料的力学性能显著提高,其延伸率最为明显。当CQD质量分数>0.2 wt.%时,CQD与Cu-Ti合金反应生成了大量的Ti C。通过对碳化物的演变机理的研究,细晶强化、位错强化、奥罗万强化是CQD/Cu-Ti合金复合材料的主要强化机制,其理论计算得到了三种计算抗拉强度分别为10.4 MPa,42.8 MPa和53.7 MPa。这与实际的数值较为接近。
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