冷喷涂可沉积石墨烯-铜复合膜，有望应用于轴承和散热器 ！

石墨烯通？墒褂弥种忠旎竦，其中使用过渡金属作为催化剂的热化学气相沉积（CVD）要领，由于其简朴、可扩展性和合理的质料质量而吸引了人们对石墨烯制备的兴趣。在CVD中，多晶镍、铁和铜已被用作石墨烯的催化基底，而铜可以在铜衬底上发生厘米量级的大面积石墨烯膜（主要为单层石墨烯）。石墨烯及其衍生物，由于优异的性能而被引入复合质料中，能够zeng强机械、电学或热学性能。

石墨烯（图片来自网络）

对于石墨烯复合质料的制备，可以使用几种要领将石墨烯引入基体中，如机械合金化和化学镀，而机械合金化因其简朴而成为获得石墨烯复合质料最常用的要领。有实验证实，匀称漫衍和较少的结构损伤是石墨烯复合质料的主要因素。而石墨烯在化学镀后的转移中容易发生的结构损伤会使石墨烯的特殊性能恶化，其复合质料中严重团圆的石墨烯也会降低机械性能。因此，许多研究都集中在获得漫衍匀称、结构损伤较小的石墨烯上。

热喷涂（图片来自网络）

有研究人yuan实验通过热喷涂手艺制造含有石墨烯等纳米碳质料的金属复合质料。传统的热喷涂要领涉及使用热能举行颗粒熔化，而且这些颗粒塑衴uan湫魏统粱，而这些沉积机制可能会发生结构损伤。

与传统的热喷涂相比，冷喷涂具有氧化少、热损伤小、压缩应力和高密度等优点。基于其动能沉积原理，冷喷涂主要应用于因碰撞而塑衴uan湫蔚慕鹗。近年来，有报道接纳机械混淆功效性子料和这些金属并通过冷喷涂沉积复合膜。尤其是冷喷涂的工艺温度低于传统的热喷涂，会发生更少的氧化和相变，以是可用于含碳复合质料，如类金刚石碳、金刚石、石墨烯和含碳纳管复合质料。冷喷涂已被用于沉积具有功效碳质料的复合膜，由于冷喷涂超音速气体的温度低于这些碳质料的氧化点从而对碳质料的破损较。虼硕蕴贾柿系慕峁顾鹕丝梢院雎圆患。

冷喷涂（图片来自旋乐吧spin8航科生产拍摄）

使用冷喷涂手艺将石墨烯与金属机械混淆的喷涂石墨烯无法解决石墨烯群集征象，需要一种新的要领来实现石墨烯的最小结构损伤以及石墨烯在复合颗：捅∧ぶ械脑瘸坡衍。石墨烯包覆的铜颗？梢酝ü鼵VD在铜颗粒上直接生长石墨烯来获得，直接生长的石墨烯涂层铜颗粒泛起出较少的结构损伤，而且由于它们不需要蚀刻或机械合金化而提供匀称的漫衍。此外，冷喷涂使石墨烯复合质料的沉积对石墨烯的结构损伤降至最低。因此，解决这些问题的一种新要领是使用石墨烯-铜复合质料并通过冷喷涂沉积它们。损伤较小的石墨烯-铜复合质料有望应用于轴承和散热器。

日本东京工业大学和日本茨城县工业手艺综合研究所在研究中，为了镌汰石墨烯的结构损伤，接纳热CVD法将石墨烯直接涂覆在铜颗粒上，并通过冷喷涂沉积获得石墨烯复合膜。视察了制备的复合粒子和薄膜的形貌，估算了石墨烯对应的碳的化学组成。研究了石墨烯的结构性能，并对其摩擦学性能举行了评价。

实验使用平均直径为20μm的铜颗粒作为石墨烯的基础颗粒，通过热CVD将石墨烯直接涂覆在铜颗粒上。将铜颗粒置于内径为8 mm的圆柱形石英管中，并将管置于真空室中。石墨烯涂覆30分钟，在H2和Ar气氛下，涂覆的石墨烯以85 K/min的速率冷却，将获得的石墨烯涂覆的铜颗粒与纯铜颗粒以1:3的重量比混淆以获得厚的复合膜。冷喷涂法接纳铝（A1050）板作为基材，其外貌接纳白色氧化铝颗粒喷蒩n，以zeng加外貌积并提高沉积效率。

铜和石墨烯涂覆的铜颗粒的SEM图像和氧图划分如图1(a-c)所示。铜颗粒是球状的，但由于热CVD的高温，复合颗粒部门地粘附到每个颗粒上。在图1（b）中，有两个可区分的区域：铜颗粒上的平展区域（图1（b，c）中的白色箭头）和粗拙区域。EDS探测器位于图1(c)的右侧，电子束照射发出的特征X射线被粒子遮蔽，糲i薹觳獾阶蟛唷？梢源佑也嗍硬斓窖踉拥奶卣鱔射线，沿着平展区域视察到较少的氧原子映射，说明平展和氧化较少的区域被石墨烯笼罩。高热CVD的温度导致铜上氧原子解吸，解吸使未笼罩的区域变得粗拙。凭证Okawa等人的研究，自然氧化层是通过热CVD的高温去除的。将石墨烯涂覆的颗粒袒露在大气中后，未笼罩的铜区域再ci被氧化。同时，由于石墨烯抑制了氧化，以是笼罩区域没有被氧化。此外，没有石墨烯从铜颗粒上疏散并群集。

图1  铜颗粒(a)、石墨烯涂覆的铜颗粒(b)的SEM图像以及氧的EDS图(c)

图1（b）批注合成的石墨烯位于铜颗粒的外貌，没有团圆。

铜膜和复合膜的外观如图2所示，灰色和黄色区域划分代表铝基板和所得薄膜，铜膜看起来比复合膜更亮。两种膜的差异外观可能是由于石墨烯的加入造成的。铜膜和复合膜的平均厚度划分约为976μm和470μm，厚度的差异批注铜颗粒上的石墨烯降低了沉积效率。基于冷喷涂的沉积机制，需要延展性来获得足够的颗粒扁平度，以通过金属jian合沉积颗粒。铜外貌的石墨烯很脆，类似于氧化物壳。铜外貌上的石墨烯阻碍了颗粒之间的直接金属团结。然而，石墨烯涂覆的铜颗粒并未完全被石墨烯笼罩，未笼罩的区域与冶金团结有关。效果批注，可以沉积但沉积效率降低。在之前的一项研究中，旋乐吧spin8证实晰铜颗粒上附着脆性子料（如类金刚石碳）会降降低积效率且复合膜的平均厚度小于纯铜膜的平均厚度。

图2  薄膜的外观，铜膜(a)和石墨烯-铜复合膜(b)

实验凭证ID/IG比率对冷喷涂引起的石墨烯结构损伤举行评估。冷喷涂沉积后ID/IG的保留批注冷喷涂并未对石墨烯造成显着的结构损伤，由于沉积历程中的气体低于氧化点和热损伤温度。在旋乐吧spin8的例子中，压缩气体的温度为720 K，这是整个历程中的最高温度，为石墨烯提供了稳固的条件。众所周知，由于冷喷涂的机理与高动力学碰撞有关，冷喷涂沉积后仍然存在压缩残余应力。拉曼光谱中Gband的峰值位置对应力或应变敏感，因此可用于预计石墨烯复合薄膜中的残余应力。当应力引入到石墨烯结构中时，G峰可能会移动。冷喷涂沉积后，1588 cm-1处的G带峰位置没有发生移动。这批注，冷喷涂秠uan∧ね饷彩┓⑸牟杏嘌顾跤α闲。挥邢允境鍪┑南宰沤峁棺。

图3  复合颗粒（玄色）和薄膜（红色）的拉曼光谱

铜膜和复合膜的横截面SEM图像为划分如图4(a，b)所示，这些SEM图像显示薄膜中存在逍遥，同时在复合膜中没有视察到群集的石墨烯，复合膜中不存在群集的石墨烯，支持石墨烯与铜的牢靠附着。此外，铜膜和复合膜的孔隙率划分为95.7%和98.8%。只管掺入的石墨烯降低了沉积效率，但附着在铜上的石墨烯并没有显着影响孔隙率。

图4  铜(a)和石墨烯-铜复合膜(b)横截面的SEM图像

使用球盘（BoD）测试以评估摩擦学性能，即摩擦系数和耐磨性。每个摩擦系数对旋转公转的依赖性如图5所示。铜膜和复合膜的外貌粗拙度Ra为2.65，划分为2.96微米。铜膜和复合膜的平均摩擦系数值划分为0.60和0.46。gai效果批注，掺入的石墨烯使摩擦系数降低了约24%。此外，在铜膜的情形下，摩擦系数的颠簸比复合膜的摩擦系数的颠簸更大。摩擦系数的大幅颠簸归因于复合膜与球之间的粘滑粘合行为。另一方面，复合膜体现出相对较小的摩擦系数颠簸。摩擦系数颠簸较小批注发生较少的粘着磨损。这些效果批注，掺入的石墨烯提高了摩擦系数和耐磨性。

图5

gai项研究证实，大多数单层石墨烯是通过热CVD在铜颗粒上合成的，并通过冷喷涂手艺沉积这些颗粒，以获得没有石墨烯群集的石墨烯-铜复合膜。复合膜的膜厚度低于铜膜的膜厚，由于引入的石墨烯降低了沉积效率。不管沉积效率降低怎样，石墨烯都不会影响膜的孔隙率。冷喷涂手艺的低工艺温度对石墨烯没有造成关jian的结构损伤，因此它被用于沉积复合膜。