張 偉,王利國,王樂韜,張 濤
(棗莊職業(yè)學(xué)院 山東 棗莊 277800)
銅基制件的導(dǎo)電能力較強,且能有效地抵抗電力腐蝕[1],因此其在某些特定的工作環(huán)境仍能進行有效工作。為了避免高壓輸電燒毀,降低火災(zāi)發(fā)生的概率,可以使用石墨烯復(fù)合材料進行有效阻燃[2]。常規(guī)的石墨烯復(fù)合材料阻燃技術(shù)主要將銅合金和碳纖維進行燒結(jié)處理,得到復(fù)合阻燃材料,因此,其制備的復(fù)合阻燃材料性能不穩(wěn)定,容易引發(fā)團聚效應(yīng),降低熱釋放速率,不符合目前的阻燃需求[3],因此,需要設(shè)計一種全新的石墨烯增強銅基復(fù)合材料阻燃技術(shù)。
石墨烯導(dǎo)電能力較強,研究表明,石墨烯組成材料具有能帶結(jié)構(gòu)[4],常溫條件下,可以有效地與銅基結(jié)合,形成復(fù)合阻燃材料。研究表明[5],常規(guī)的石墨烯增強銅基復(fù)合材料在球磨混合后可能出現(xiàn)斷裂帶,影響復(fù)合材料的綜合阻燃性能,導(dǎo)致其熱釋放速率(P H R R)過高,阻燃時間較短,為解決該問題,本文結(jié)合石墨烯與銅基材料的綜合特性,設(shè)計全新的石墨烯增強銅基阻燃技術(shù)。
結(jié)合各個材料的阻燃特性[6],本文選取甲烷作為碳源,使用純度較高的氫氣進行還原,降低石墨烯增強銅基阻燃材料中的雜質(zhì)百分比。除碳源材料外,本文選取的其他主要材料如表1所示。
表1 石墨烯增強銅基制備原材料
結(jié)合上述選取的原材料可以選擇合適的制備儀器[7],本文選取JA5003電子天平、amartlab9k衍射儀、DK7735機床、UTM5456試驗機、XD-1400S燒結(jié)爐、HS-1258氣相沉積爐、InVia Renishaw等儀器作為制備儀器。
本文將石墨烯增強銅基阻燃材料分為三個不同的制備部分,第一步是將石墨烯材料沉積,受石墨烯的能量釋放作用影響,其容易在銅基體表面生成薄膜,本文設(shè)計的技術(shù)根據(jù)該原理進行石墨烯沉積,如圖1所示。
圖1 石墨烯沉積
由圖1可知,石墨烯沉積過程符合碳原子遷移原則,隨著氣體流量變化,CVD的生長過程也會發(fā)生相應(yīng)的改變??梢詫⑹┏练e劃分成幾個不同的階段:
升溫階段:使用烘干機進行烘干,并將處理好的泡沫銅裁剪到相應(yīng)的尺寸,進行真空處理,通入氬氣,反復(fù)清洗,將內(nèi)部的氬氣排除[8],從而有效地去除石墨烯中的雜質(zhì),提高石墨烯沉積純度;還原階段:需要保證原有氣體流量不變,進行沉積銅還原,使銅基體更光滑;生長階段:不斷控制生長條件,使用甲烷進行還原,測試沉積溫度;降溫階段:快速關(guān)閉甲烷閥門,進行自然冷卻,得到石墨烯沉積泡沫銅。石墨烯沉積泡沫銅制備完畢后需要添加還原材料,進行壓制燒結(jié),再利用超聲振蕩法填滿孔縫,從而完成石墨烯增強銅基阻燃材料制備。為驗證制備的有效性,需要針對其進行性能測試。首先需要計算復(fù)合材料密度P,如下(1)所示。
公式(1)中,M代表復(fù)合材料在空氣中的質(zhì)量,m代表復(fù)合材料在水中的質(zhì)量,P水代表水的密度,結(jié)合上述計算出的密度可以進一步計算復(fù)合材料的電導(dǎo)率ACS%,如下(2)所示。
公式(2)中,μ代表復(fù)合材料電阻率,μCu代表銅的電阻率,此時可以計算復(fù)合材料的熱導(dǎo)率K,如下(3)所示。
公式(3)中,D代表熱擴散率,CP代表比熱,為提高復(fù)合材料的阻燃性能,本文設(shè)計的技術(shù)使用激光脈沖法計算熱擴散率,如下(4)所示。
公式(5)中,PRC代表試樣比熱,Rm代表樣品質(zhì)量,RTΔ、TΔ均代表溫度變化,上述參數(shù)驗證完畢后,還需要進行力學(xué)拉伸檢驗,其強度計算公式σ如下(6)所示。
公式(6)中,F(xiàn)代表載荷,S0代表壓痕尺寸,經(jīng)過上述檢驗發(fā)現(xiàn),制備的石墨烯增強銅基復(fù)合材料的性能良好,但其具有一定的團聚性,可能會影響實際阻燃效果,因此,本文后續(xù)對其進行分散化處理。
為提高石墨烯增強銅基復(fù)合材料的阻燃面積,需要使用化學(xué)氣相沉積法對其進行分散化處理,降低阻燃材料的團聚性。當(dāng)制備的石墨烯增強銅基復(fù)合材料的溫度發(fā)生改變時,其團聚效果出現(xiàn)較高的差異,本文根據(jù)其溫度變化原則生成了SEM、EDS分布圖,如圖2所示。
圖2 SEM、EDS分布圖
由圖2可知,隨著石墨烯增強銅基復(fù)合材料的溫度變化,其銅基體的平整度也在不斷地發(fā)生改變,因此,可以根據(jù)該變化原理分析樣本中的碳原子裂解關(guān)系,確定銅基底的熱膨脹系數(shù)。
為進一步提高復(fù)合阻燃材料的性能,本文使用氣相沉積法獲取樣本的拉曼光譜表征,可以針對團聚后的立體石墨烯結(jié)構(gòu)進行沉積表征處理,將泡沫銅骨架完全包裹住,降低石墨烯結(jié)構(gòu)的破壞程度。經(jīng)過處理后,為檢驗處理效果,需要利用金屬熒光效應(yīng)進行拉曼覆蓋測試。僅使用上述的方法對阻燃材料進行團聚性處理可能會出現(xiàn)處理遺漏問題,針對該問題,本文結(jié)合SEM圖進行沉積遷移處理,若處理后基體附近未產(chǎn)生微氣泡證明此時基體的團聚性較低,反之則證明基體的團聚性過高,需要重新進行分散化處理。
復(fù)合材料的導(dǎo)電性能往往與其電阻相關(guān),因此隨著傳輸損耗增加,其利用率越來越低,本文結(jié)合電子遷移作用計算了復(fù)合材料的電阻率P表達式,如下(7)所示。
公式(7)中,m代表電子質(zhì)量,v代表平均速度,N代表電子數(shù)量,E代表電荷量,l代表自由程,隨著電阻率的增加,復(fù)合材料的缺陷逐漸增加,因此,保證合理的電阻率范圍是復(fù)合材料的重要阻燃條件。
復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能也決定其實際阻燃效果,本文設(shè)計的技術(shù)根據(jù)電子導(dǎo)熱原則繪制熱導(dǎo)率變化示意圖,如圖3所示。
圖3 熱導(dǎo)率變化示意圖
由圖3可知,隨著界面缺陷的增加,其電子熱導(dǎo)率越來越低。一旦制備的石墨烯增強銅基復(fù)合材料出現(xiàn)局部缺陷,導(dǎo)致阻燃失效,熱損失過高,因此熱導(dǎo)率也是影響復(fù)合材料性能的重要阻燃條件。
為了避免復(fù)合材料沉積損傷,本文設(shè)計的阻燃技術(shù)使用非線性熱振動法不斷地進行電子運動熱傳導(dǎo)。經(jīng)過多次分析發(fā)現(xiàn),復(fù)合材料內(nèi)部的增強體與其熱導(dǎo)率存在一定的關(guān)系,因此本文設(shè)計阻燃條件分析模型Cλ,如下(8)所示。
公式(8)中,mλ代表復(fù)合材料熱導(dǎo)率,A代表相關(guān)參數(shù),B代表沉積參數(shù),iV代表體積分數(shù),φ代表復(fù)合形態(tài)參考值,使用上述公式可以有效地判斷復(fù)合材料的晶體組成狀態(tài),確定其綜合阻燃條件,避免其出現(xiàn)熱導(dǎo)率負增長問題。
為了驗證設(shè)計的石墨烯增強銅基阻燃技術(shù)的阻燃效果,本文選取有效的實驗儀器,將其與常規(guī)的石墨烯增強銅基復(fù)合材料阻燃技術(shù)進行對比實驗。
首先根據(jù)阻燃需求選擇干燥箱、LOI測定儀、垂直燃燒儀、熱釋放分析儀等作為實驗儀器。為了提高實驗效果,本文選擇易燃性較高的EP基體作為實驗基體。EP基體是一種常見的黏合材料,附著力較高,但其十分易燃,因此,本文使用兩種不同的阻燃技術(shù)針對EP基體進行阻燃實驗。
首先使用MZF-GO稱量EP基體,配置阻燃樣本,其次將配置完畢的EP基體放置在抽濾瓶中,進行水浴加熱,此時需要始終保證樣本在60°的恒溫環(huán)境中。為了保證樣本均勻受熱需要不斷對樣本進行攪拌,并添加阻燃劑和固化劑,待樣本全部分散后取出抽濾瓶,再將抽濾瓶中的樣本放置在模具中不斷進行燃燒。
上述處理完畢后需要將樣本放置在真空環(huán)境中,進行脫氣處理,并反復(fù)進行樣本固化,得到符合實驗需求的實驗樣條,這些實驗樣條的規(guī)格及其LOI等級指標(biāo)參數(shù)如表2所示。
表2 實驗樣條規(guī)格及LOI參數(shù)
由表2,此時的實驗樣條及其LOI參數(shù)符合實驗需求,為了提高實驗的有效性,本文按照GB2406標(biāo)準確定復(fù)合材料表征,分析其錐形量,在樣本瓶中均勻地添加APP-MZF-GO,使其黏性增加,此時的EP易燃傳導(dǎo)特性最高,可以繪制實驗樣條的時間-熱力傳導(dǎo)曲線圖,如圖4所示。
圖4 時間-熱力傳導(dǎo)曲線圖
由圖4知,隨著時間的增加,試驗樣條的熱力傳導(dǎo)值越來越高,阻燃效果越來越差,符合錐形量熱的實驗需求,可以根據(jù)試驗樣條的阻燃變化關(guān)系進行后續(xù)的阻燃效果實驗。
結(jié)合上述的實驗準備,可以進行石墨烯增強銅基復(fù)合材料阻燃實驗,即分別使用本文設(shè)計的石墨烯增強銅基阻燃技術(shù)和常規(guī)的石墨烯增強銅基阻燃技術(shù)制備EP易燃基底防護膜,并使用熱釋放分析儀分析兩種技術(shù)在不同燃燒時間下的熱釋放速率(PHRR)實驗結(jié)果如表3所示。
表3 實驗結(jié)果
由表3知,隨著燃燒時間增加,兩種技術(shù)的熱釋放速率(PHRR)均得到不同程度的增長,但本文設(shè)計的石墨烯增強銅基阻燃技術(shù)的增長速度較慢,整體熱釋放速率較低,而常規(guī)的石墨烯增強銅基阻燃技術(shù)隨時間增長其熱釋放速率的增長速度較高,整體熱釋放速率較高。證明本文設(shè)計的石墨烯增強銅基阻燃技術(shù)的阻燃效果較好,具有可靠性,有一定的應(yīng)用價值。
綜上所述,本文設(shè)計一種新的石墨烯增強銅基復(fù)合材料阻燃技術(shù)。實驗結(jié)果表明,設(shè)計的阻燃技術(shù)的熱釋放速率隨燃燒時間的增長速度較緩慢,整體熱釋放速率較低,證明設(shè)計的阻燃技術(shù)的阻燃效果較好,具有可靠性,有一定的應(yīng)用價值,可以作為后續(xù)消防處理的參考。