水泥瓷砖粘合剂与水泥砂浆在化学成分、机械性能、可加工性及可持续性方面的对比分析

《Journal of Materials Research and Technology》：Comparative analysis of chemical composition, mechanical performance, workability, and sustainable characteristics of cementitious tile adhesives and cement mortar

将石墨烯（Gr）引入纳米孪晶铜（ntCu）可制备具有增强结构-功能特性的ntCu-Gr纳米复合材料，关键在于实现石墨烯与铜基体的均匀分散和强界面结合。本研究采用脉冲共电沉积（PCED）制备Cu-Gr纳米复合材料，在石墨烯浓度0.1 g/L和脉冲电流密度300 mA/cm2时获得最佳微结构，包含高密度纳米孪晶和均匀分散的石墨烯。石墨烯优先嵌入非共格孪晶界（ITBs），呈现(100)Gr//(111)Cu取向关系。随着石墨烯浓度增加，材料弹性模量最高达143 GPa，纳米硬度在0.1 g/L时达2.73 GPa，主要源于纳米孪晶与石墨烯的协同强化效应。本研究为通过PCED优化ntCu-Gr纳米复合材料的硬度提供了新途径，并揭示了纳米孪晶与石墨烯的界面结构特性。

　　本研究聚焦于通过脉冲共电沉积（PCED）技术制备纳米孪晶铜（ntCu）与石墨烯（Gr）复合材料，并探讨其微观结构与力学性能之间的关系。石墨烯作为一种二维材料，具有优异的机械和功能特性，例如拉伸强度可达约130 GPa，杨氏模量约为1.1 TPa，以及较高的载流子迁移率。这些特性使其成为提升铜基复合材料性能的潜在增强材料。另一方面，纳米孪晶铜因其独特的纳米孪晶结构，能够同时实现高强度和高导电性，这源于其对位错和电子的独特作用机制。将石墨烯引入纳米孪晶铜中，理论上可以实现两者性能的协同增强，从而获得具有独特机械-电性能组合的ntCu-Gr纳米复合材料。

然而，石墨烯在铜基体中的有效分散与强韧的界面结合是实现这一目标的关键挑战。石墨烯与铜之间存在低溶解度和润湿性，这使得在常规的合成方法中，如粉末冶金和化学气相沉积（CVD）等，容易出现石墨烯聚集、界面缺陷以及密度不足等问题，进而影响材料的性能表现。因此，寻找一种能够有效解决这些问题的制备方法显得尤为重要。本研究采用脉冲共电沉积技术，通过优化电沉积参数，成功实现了石墨烯在纳米孪晶铜基体中的均匀分布与强界面结合。

在实验中，研究人员使用了不同浓度的石墨烯（0.1 g/L、0.2 g/L和0.3 g/L）制备了Cu-Gr1、Cu-Gr2和Cu-Gr3样品，并对纯铜样品（Cu-Gr0）进行了对比分析。通过X射线衍射（XRD）和电子背散射衍射（EBSD）技术，研究团队观察到了石墨烯对铜晶体结构的影响。结果表明，随着石墨烯浓度的增加，铜的晶粒尺寸逐渐减小，而纳米孪晶的密度则呈现先增加后减少的趋势。特别是在0.1 g/L的石墨烯浓度下，样品表现出最高的硬度（约2.73 GPa），这归因于纳米孪晶和石墨烯的协同强化效应。此外，通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和选区电子衍射（SAED）分析，研究人员进一步确认了石墨烯在纳米孪晶边界（ITBs）中的优选分布，并发现其与铜基体之间存在特定的取向关系，即（10 0）_Gr//（11 1）_Cu。这种界面结构不仅有助于提升材料的机械性能，还可能对热稳定性产生积极影响。

在力学性能方面，研究团队利用纳米压痕技术对样品进行了系统测试。结果表明，随着石墨烯含量的增加，杨氏模量呈现上升趋势，达到最高值约143 GPa时，对应的石墨烯体积分数为3.4%。这一结果进一步验证了石墨烯在铜基体中的有效集成。然而，值得注意的是，尽管Cu-Gr3样品具有最高的石墨烯体积分数，其硬度却未达到最高水平，这可能与石墨烯在基体中的聚集以及纳米孪晶结构的缺失有关。相比之下，Cu-Gr1样品在保持较高纳米孪晶密度的同时，实现了石墨烯的均匀分布，从而表现出最优的硬度性能。

研究还探讨了石墨烯在电沉积过程中对铜晶体生长模式的影响。通过分析石墨烯在铜晶体中的分布情况，研究人员提出了一种可能的生长机制——螺旋位错生长。该机制认为，在电沉积过程中，石墨烯倾向于嵌入到不协调的孪晶边界中，从而在一定程度上调控铜晶体的生长方向。这一现象为理解石墨烯在铜基体中的行为提供了新的视角，也为进一步优化复合材料的性能提供了理论依据。

此外，研究团队还通过高分辨透射电子显微镜（HRTEM）对石墨烯与铜基体之间的原子结构进行了深入分析。结果显示，石墨烯的（10 0）晶面与铜的（111）晶面具有相近的晶面间距，表明两者之间存在良好的晶格匹配关系。这一特性不仅有助于石墨烯在铜基体中的稳定嵌入，还可能促进其在电沉积过程中的均匀分布。同时，HRTEM图像中观察到的莫尔条纹进一步证实了石墨烯与铜的共沉积现象，表明其在铜基体中的成功集成。

在讨论部分，研究团队进一步分析了石墨烯对复合材料性能的影响机制。石墨烯的加入不仅能够通过其自身结构提升材料的硬度，还能通过与纳米孪晶的相互作用增强整体的力学性能。例如，石墨烯在纳米孪晶边界中的分布可以有效阻碍位错运动，从而提高材料的强度。同时，石墨烯的二维几何特性使其能够更好地适应铜基体的结构，形成稳定的界面结构，这有助于改善材料的导电性和热稳定性。此外，研究还指出，石墨烯的引入可能对铜晶体的生长模式产生影响，尤其是在脉冲电沉积过程中，石墨烯的存在可能改变铜晶体的形貌和取向，从而影响最终的微观结构。

值得注意的是，本研究还探讨了石墨烯在不同浓度下的行为差异。随着石墨烯浓度的增加，其在铜基体中的分布逐渐从均匀分散转向聚集，尤其是在高浓度下，石墨烯倾向于沉积在晶界处，而减少了其在纳米孪晶边界中的分布。这种变化可能对材料的性能产生负面影响，例如降低硬度和杨氏模量。因此，研究团队认为，在电沉积过程中，石墨烯的浓度和脉冲电流密度是控制其在铜基体中分布的关键参数。通过优化这些参数，可以实现石墨烯在纳米孪晶铜基体中的最佳嵌入效果，从而获得具有优异性能的复合材料。

本研究的创新之处在于，首次通过脉冲共电沉积技术成功实现了石墨烯在纳米孪晶铜基体中的均匀分布，并揭示了其与纳米孪晶之间的特殊界面结构。这种结构不仅有助于提升材料的硬度，还可能对其他性能如导电性、热稳定性等产生积极影响。此外，研究团队通过实验和理论分析相结合的方法，为理解石墨烯在铜基体中的行为提供了新的视角，并为未来开发高性能的铜基复合材料奠定了基础。

总的来说，本研究通过脉冲共电沉积技术，成功制备了具有优异机械性能的ntCu-Gr纳米复合材料，并揭示了石墨烯在纳米孪晶铜基体中的分布规律及其对材料性能的影响机制。研究结果表明，石墨烯的浓度和电沉积参数对复合材料的性能具有重要影响，而优化这些参数可以实现石墨烯在铜基体中的最佳嵌入效果。这一发现不仅为纳米复合材料的制备提供了新的思路，也为进一步提升铜基材料的性能开辟了新的研究方向。