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石墨烯-铜基复合材料的原位合成制备、组织及性能研究
摘要：
石墨烯作为一种二维的新型材料，在电子学、光电子学、电池、传感器等领域具有广阔的应用前景。目前制备石墨烯的方法主要包括机械剥离、化学气相沉积、化学氧化还原法等，但这些方法存在着制备过程复杂，产量低，成本高等缺点。本研究利用铜基复合材料在原位合成制备石墨烯的方法，通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射等手段研究了样品的表面形貌、微观结构及晶体结构等组织性能，以及样品的机械性能和导电性能。结果发现，通过控制反应温度和气氛，可以调节石墨烯在复合材料中的分布和结晶度，提高复合材料的导电性和硬度，从而实现了高性能的铜基复合石墨烯材料的制备。
关键词：石墨烯、铜基复合材料、原位合成、组织性能、导电性能
引言：
石墨烯是一种由巨大的晶格结构构成的二维碳材料，由于其特殊的物理和化学性质，成为材料科学的前沿热点。石墨烯具有高导电性、高机械强度、高热稳定性、优异的光学特性和表面活性等特性，被广泛应用于电子学、储能器件、传感器和生物医学等领域。目前，石墨烯的制备方法主要包括机械剥离、化学气相沉积、化学氧化还原法等。这些方法存在着制备过程复杂，产量低，成本高等缺点，限制了其在实际应用中的发展。
铜是一种常用的金属材料，具有优良的导电性和热传导性，广泛应用于电子、电声、通讯等领域。铜基复合材料不仅具有铜本身的优良性能，而且通过复合材料的形式可实现其性能的提高和多样化，因此被广泛应用于不同领域。本研究利用铜基复合材料在原位合成制备石墨烯的方法，既克服了纯石墨烯制备的困难，又能够同时实现铜基复合材料的优良性能。
实验：
1.合成方法
本研究采用化学还原法制备铜基复合材料的过程中，原位合成石墨烯。具体操作过程如下：首先，将铜粉500mg与环氧丙烷20mL混合，再将混合物震荡混匀，使铜粉表面均匀涂上一层环氧丙烷；然后，在氮气气氛下加入适量的L-抗坏血酸25mg，将反应体系进行储存10min，在常温下静置约5h。最后，将反应后的铜基复合材料经洗涤和干燥处理，即可得到样品。
2.表征方法
扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和原子力显微镜（AFM）用于研究样品的表面形貌、结构和晶粒尺寸。X射线衍射仪（XRD）用于研究样品的物相结构和晶体结构信息。热重分析仪（TGA）用于研究样品的热稳定性能。万能材料测试机用于研究样品的机械性能。四点探针仪用于研究样品的导电性能。
结果与分析：
研究了不同反应温度下制备的铜基复合石墨烯材料，通过SEM和TEM分析发现，当反应温度为200°C时，得到的样品表面较为平整，石墨烯厚度约为1~2nm左右。在反应温度分别为250°C和300°C时，样品表面出现较多的石墨烯结晶体，厚度分别在2~3nm和3~4nm左右。
利用XRD和TGA分析各反应温度下的样品，发现样品中均存在铜的晶体相，并且随着反应温度的升高，石墨烯的数量和结晶度越来越高。在400°C反应温度下，样品呈现出优异的热稳定性能，并且在铜基复合材料中的石墨烯分布较为均匀。
通过万能材料测试机测试样品在不同压力下的硬度，结果发现硬度值随着压力的增加而增加。而导电性能测试显示，随着石墨烯晶粒的增加和结晶度的提高，复合材料的导电性能也得到了极大的提升。
结论：
本研究利用铜基复合材料在原位合成制备石墨烯的方法，成功地制备出了高性能的铜基复合石墨烯材料，并通过SEM、TEM、XRD、TGA、机械性能和导电性能等多种手段对样品进行了表征分析。结果表明，通过控制反应温度和气氛，可以调节石墨烯在复合材料中的分布和结晶度，从而实现了优异的导电性能和机械性能。本研究的结果为制备更高性能的石墨烯复合材料提供了新的思路。