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Scientific Reports 6권, 기사 번호: 19363(2016) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

그래핀/Cu 복합재는 고체 탄소원인 PMMA를 사용하여 Cu 분말을 볼 밀링하고, 얇은 Cu 분말에서 그래핀을 현장 성장하고, 진공 열압착 소결하는 그래핀 현장 성장 접근법을 통해 제조되었습니다. SEM 및 TEM 특성 분석 결과는 Cu 분말 위에 현장에서 성장한 그래핀이 균질한 분산과 그래핀과 Cu 매트릭스 사이의 우수한 조합을 보장할 뿐만 아니라 그래핀의 온전한 구조를 보장하여 강화 효과에 도움이 된다는 것을 나타냅니다. 244MPa의 항복 강도와 274MPa의 인장 강도는 0.95wt.% 그래핀을 함유한 복합재에서 달성되었으며, 이는 순수 Cu에 비해 각각 177% 및 27.4% 향상되었습니다. 매트릭스 내 현장 성장 그래핀의 강화 효과는 하중 전달 및 전위 강화에 기여했습니다.

육각형 격자에 몇 층의 sp2 혼성 탄소 원자1를 포함하는 독특한 구조는 그래핀에 비교할 수 없는 기계적 강도 및 영률, 극도로 높은 열 전도성 및 전하 운반체 이동성과 같은 우수한 기계적 및 기능적 특성을 부여합니다2,3,4,5. 따라서 그래핀으로 강화된 금속 매트릭스 복합재(MMC)는 고강도, 우수한 인성 및 경량이라는 요구 사항을 충족하는 고성능을 얻을 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있기 때문에 지난 몇 년 동안 많은 주목을 받아 왔습니다6,7,8,9 ,10,11. 그러나 그래핀 가장자리에 원자가 매달려 있으면 그래핀이 불안정해지고 반 데르 발스 힘과 π-π 반응을 통해 얇은 탄소 시트나 흑연을 형성하기 위해 뭉치거나 심지어 다시 쌓일 가능성이 매우 높아 MMC 제조에 큰 어려움을 초래합니다.

지금까지 MMC를 제조하는 데 사용된 그래핀은 모두 금속 매트릭스에 현장에서 추가되었습니다. 대부분의 연구는 금속 매트릭스 내에서 그래핀의 바람직한 분산을 얻기 위해 화학적 통합 또는 기계적 통합을 통해 환원된 산화흑연(RGO) 및 그래핀 나노판(GNP)과 금속 분말을 결합하는 데 중점을 두었습니다. 화학적 통합 방법의 경우, 가수분해된 Al 이온과 음전하를 띤 산화흑연(GO) 사이의 정전기 흡착이 Al 분말에 GO의 원하는 분산을 달성하기 위해 사용되었습니다. 황재원 등14은 GO와 Cu(CH3COO)2 용액을 혼합하고 추가 환원을 통해 RGO/Cu 복합분말을 합성하였다. 그러나 환원 과정에서 GO의 불완전한 환원과 RGO의 재결합은 그래핀의 강화 효과에 영향을 미칠 수 있습니다. 한편, 금속 매트릭스 내에서 그래핀의 균일한 분산을 얻기 위해 금속 분말과 그래핀의 기계적 볼밀링을 통한 기계적 통합이 널리 사용됩니다. 예를 들어 Li et al.15은 Al 분말에 RGO를 첨가하고 극저온 밀링을 통해 RGO와 Al 분말의 결합을 실현했습니다. 금속 매트릭스 내 그래핀의 높은 분산은 금속 분말을 사용한 GNP의 볼 밀링을 통해 얻어지며, 그 동안 GNP는 매트릭스 내에서 제거되고 분산됩니다. 볼 밀링은 쉽고 실용적인 방법이지만 그래핀에 필연적으로 많은 결함이 발생하며 이는 강화 효과에도 해롭습니다5,6,7,14. 따라서 수많은 연구에서 그래핀을 첨가하면 MMC가 강화될 수 있음이 입증되었지만 RGO 또는 GNP를 금속 매트릭스에 직접 첨가하는 강화재로 사용하는 기존 방법의 단점으로 인해 연구 진행이 제한되었습니다. 따라서 이 분야의 향후 연구에서 현장 성장 그래핀으로 강화된 MMC를 제작하는 것은 큰 가치가 있습니다.

Cu 매트릭스 복합재는 자동차, 마이크로 전자공학 등과 같은 다양한 분야에서 광범위한 응용 분야를 나타냅니다. 산화물 및 탄화물 나노입자와 같은 Cu 매트릭스 복합재를 제조하는 데 사용되는 전통적인 강화재는 Cu21의 기계적 특성을 크게 향상시킵니다. 그럼에도 불구하고 이러한 보강재의 전기 및 열 전도성이 좋지 않아 전자 응용 분야에 적합하지 않습니다. 따라서, Cu 복합재의 보강재로서 구조가 온전한 그래핀은 바람직한 Cu 매트릭스 복합재를 제작할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있습니다. 최근 Wang 등22은 폴리비닐 알코올(PVA)을 바인더로 사용하여 금속 분말 표면에 균일하게 코팅된 PMMA를 구현하고 금속 매트릭스 내에서 현장 성장 그래핀을 추가로 얻었습니다. 더욱이, Cu 매트릭스 위에 현장 성장된 단층 그래핀은 Cu 포일에 코팅된 PMMA를 촉매화함으로써 달성되었습니다4. 따라서 Cu 매트릭스 내에서 직접 성장한 그래핀은 화학적 통합 및 기계적 통합으로 인해 발생하는 병목 현상을 극복하고 Cu 매트릭스 내에서 그래핀의 우수한 분산을 달성하기 위한 좋은 접근 방식을 제공합니다.