Renforcement synergique des nanocomposites Cu/Ti₃SiC₂/C par graphène et nanotubes MWCNT : microstructure et performances mécaniques

Résumé

La combinaison de nanotubes de carbone multi-parois (MWCNT) unidimensionnels avec du graphène bidimensionnel crée une interface synergique qui améliore la dispersion, la mouillabilité et le lien des particules de renforcement dans une matrice de cuivre. En utilisant l'alliage mécanique, le frittage sous vide par pressage à chaud (VHP) et le pressage isostatique à chaud (HIP), nous avons fabriqué des nanocomposites Cu/Ti₃SiC₂/C avec des rapports variables de graphène et MWCNT. La diffraction des rayons X, la microscopie optique, MEB, MET et EPMA ont révélé une microstructure fine et bien liée. Les essais mécaniques ont montré que la composition optimale — 0,8 % p/p MWCNT et 0,2 % p/p graphène — fournit la dureté et la résistance à la traction les plus élevées, grâce à l'affinage des grains, au transfert de charge, au renforcement Orowan et à l'adhésion interfaciale. Ces résultats confirment qu'une stratégie de renforcement au carbone biphasique peut améliorer nettement la performance des composites à base de Cu.

Contexte

Les composites cuivre-graphite combinent l'excellente conductivité du cuivre avec les propriétés autolubrifiantes du graphite, les rendant attractifs pour l'aérospatiale, l'électronique et l'automobile. Ti₃SiC₂ ajoute une stabilité à haute température, une résistance à l'oxydation et une conductivité thermique. Cependant, les composites Cu/Ti₃SiC₂/C seuls restent en retard en résistance et résistance à l'usure. L'introduction de renforts à l'échelle nanométrique — MWCNT et graphène — peut améliorer ces propriétés, mais des défis tels que la dispersion pauvre, la mouillabilité limitée et les interfaces faibles ont entravé les progrès. Des études récentes suggèrent qu'un hybride de MWCNT et graphène peut former un réseau à haute surface de contact, améliorant le transfert de charge et le lien interfaciale.

Méthodes/Expérimental

Les poudres brutes de Cu, Ti₃SiC₂, graphite, MWCNT et nanoplaquettes de graphène ont d'abord été dispersées par agitation ultrasonique. Des modifications de surface ont été effectuées en utilisant un plasma Ar–NH₃ et des solutions à faible concentration d'acide rutine ou gallique pour améliorer la mouillabilité. Le broyage à billes à haute énergie (médias agate) a mélangé les poudres à un rapport massique 10:1 avec de l'alcool tert-butylique comme liant. Le mélange résultant a été séché puis fritté via VHP (950 °C, 20 MPa, 2 h) suivi de HIP (900 °C, 100 MPa, 2 h). Les densités relatives ont été mesurées par le principe d'Archimède. La microstructure a été examinée par MO, XRD, MEB/EDS et MET. Les essais de dureté, compression et cisaillement ont été réalisés sur une machine d'essai universelle à 0,5 mm/min. Toutes les données ont été comparées pour des compositions de 0,8 % p/p graphène/0,2 % p/p MWCNT, 0,5/0,5 et 0,2/0,8.

Résultats et discussion

Microstructure des poudres et identification des phases

Les images MEB ont confirmé que les MWCNT reliaient les particules de Cu tandis que les feuillets de graphène se dispersaient dans la matrice, réduisant l'agglomération. Les diagrammes XRD ont montré la rétention des phases Cu, Ti₃SiC₂ et graphite, sans preuve d'oxydation ou de réactions indésirables. L'alliage mécanique a préservé l'intégrité des phases tout en favorisant un contact intime entre les renforts et la matrice de cuivre.

Microstructure du composite

La métallographie a révélé une matrice Cu continue parsemée de grains Ti₃SiC₂ et de grappes de graphite ou carbone isolées. Ti₃SiC₂ s'est décomposé à 950 °C en TiC et Si, ce dernier formant des solutions solides Cu₉Si qui améliorent le lien interfaciale. La cartographie EPMA a confirmé la distribution uniforme de Cu, Ti, Si, C et La (ajouté pour la densification).

Transformations de phase pendant le frittage

L'analyse thermodynamique a confirmé que Ti₃SiC₂ → 3TiC₂/₃ + Si (ΔG = −106,5 kJ mol⁻¹) est spontané. Les réactions subséquentes (Si + 9Cu → Cu₉Si) et (C + Si → SiC) étaient également exothermiques, conduisant aux phases TiC et Cu₉Si observées dans la microstructure finale.

Propriétés mécaniques

La dureté a diminué d'environ 9 % seulement lorsque le graphène augmentait de 0,5 % p/p à 0,8 % p/p, indiquant qu'un excès de graphène favorise l'agglomération et la porosité. Les résistances à la traction et à la compression ont diminué d'environ 12 % à 0,8 % p/p graphène, tandis que la résistance au cisaillement a réduit d'environ 20 % — tous cohérents avec un lien interfaciale plus faible et une formation accrue de microfissures. La composition optimale 0,8 % p/p MWCNT / 0,2 % p/p graphène a exhibé la densification la plus élevée (≈97 % théorique) et la performance mécanique.

Analyse de rupture en traction

Les images MEB des surfaces de rupture ont montré des cavités et facettes de clivage typiques, avec des preuves de décollement de graphène et de fragmentation de MWCNT. Les feuillets de graphène agglomérés ont contribué à l'initiation de microfissures, tandis que les MWCNT bien distribués ont amélioré le transfert de charge. L'équilibre de ces effets détermine la ténacité globale.

Conclusions

1. Le frittage sous vide par pressage à chaud et HIP produisent efficacement des composites Cu/Ti₃SiC₂/C renforcés par MWCNT et graphène.
2. La synergie découle de la compacité élevée, de la dispersion homogène et du fort lien interfaciale.
3. La meilleure performance mécanique est atteinte avec 0,8 % p/p MWCNT et 0,2 % p/p graphène ; au-delà, l'agglomération dégrade les propriétés.
4. Les améliorations proviennent de l'affinage des grains, du transfert de charge, d'Orowan et du renforcement interfaciale.