Refuerzo sinérgico de nanocompuestos Cu/Ti₃SiC₂/C con grafeno y MWCNTs: Microestructura y rendimiento mecánico

Resumen

Combinar nanotubos de carbono multi-pared (MWCNTs) unidimensionales con grafeno bidimensional crea una interfaz sinérgica que mejora la dispersión, mojabilidad y unión de partículas de refuerzo en matriz de cobre. Usando aleación mecánica, prensado en caliente al vacío (VHP) y prensado isostático en caliente (HIP), fabricamos nanocompuestos Cu/Ti₃SiC₂/C con proporciones variables de grafeno y MWCNTs. Difracción rayos X, microscopía óptica, SEM, TEM y EPMA revelaron microestructura fina y bien unida. Pruebas mecánicas mostraron que la composición óptima —0,8% en peso MWCNTs y 0,2% en peso grafeno— entrega máxima dureza y resistencia a tracción, debido a refinamiento grano, transferencia carga, fortalecimiento Orowan y adhesión interfacial. Estos hallazgos confirman que una estrategia refuerzo carbono bifásica puede mejorar marcadamente el rendimiento de compuestos base Cu.

Introducción

Compuestos cobre-grafito combinan excelente conductividad del cobre con propiedades auto-lubricantes del grafito, haciéndolos atractivos para aplicaciones aeroespaciales, electrónicas y automotrices. Ti₃SiC₂ añade estabilidad alta temperatura, resistencia oxidación y conductividad térmica. Sin embargo, compuestos Cu/Ti₃SiC₂/C solos aún rezagan en resistencia y resistencia desgaste. Introducir nanorrefuerzos —MWCNTs y grafeno— puede mejorar estas propiedades, pero desafíos como dispersión pobre, mojabilidad limitada e interfaces débiles han obstaculizado progreso. Estudios recientes sugieren que un híbrido MWCNTs-grafeno puede formar red de alto área contacto, mejorando transferencia carga y unión interfacial.

Métodos/Experimental

Polvos crudos Cu, Ti₃SiC₂, grafito, MWCNTs y nano-placas grafeno se dispersaron primero por agitación ultrasónica. Modificaciones superficiales se realizaron usando plasma Ar-NH₃ y soluciones baja concentración Rutina o ácido gálico para mejorar mojabilidad. Fresado bola alta energía (medios ágata) mezcló polvos a relación masa 10:1 con alcohol ter-butílico como aglutinante. La mezcla resultante se secó y sinterizó vía VHP (950 °C, 20 MPa, 2 h) seguido por HIP (900 °C, 100 MPa, 2 h). Densidades relativas se midieron por principio Arquímedes. Microestructura se examinó por OM, XRD, SEM/EDS y TEM. Pruebas dureza, compresión y cizallamiento se realizaron en máquina ensayo universal a 0,5 mm/min. Todos datos comparados entre composiciones 0,8% grafeno/0,2% MWCNT, 0,5/0,5 y 0,2/0,8.

Resultados y Discusión

Microestructura polvo e identificación fase

Imágenes SEM confirmaron que MWCNTs unían partículas Cu mientras capas grafeno dispersaban dentro matriz, reduciendo aglomeración. Patrones XRD mostraron retención fases Cu, Ti₃SiC₂ y grafito, sin evidencia oxidación o reacciones no deseadas. Aleación mecánica preservó integridad fase mientras promovió contacto íntimo entre refuerzos y matriz cobre.

Microestructura compuesto

Metalografía reveló matriz Cu continua salpicada granos Ti₃SiC₂ y grupos grafito o carbono aislados. Ti₃SiC₂ se descompuso a 950 °C a TiC y Si, este último formando soluciones sólidas Cu₉Si que mejoran unión interfacial. Mapeo EPMA confirmó distribución uniforme Cu, Ti, Si, C y La (añadido para densificación).

Transformaciones fase durante sinterizado

Análisis termodinámico confirmó Ti₃SiC₂ → 3TiC₂/₃ + Si (ΔG = -106,5 kJ mol⁻¹) es espontáneo. Reacciones subsiguientes (Si + 9Cu → Cu₉Si) y (C + Si → SiC) también exotérmicas, llevando a fases TiC y Cu₉Si observadas en microestructura final.

Propiedades mecánicas

Dureza disminuyó solo ~9% al aumentar grafeno de 0,5% a 0,8% en peso, indicando que grafeno excesivo promueve aglomeración y porosidad. Resistencias tracción y compresión disminuyeron ~12% a 0,8% grafeno, mientras resistencia cizallamiento redujo ~20% —todo consistente con unión interfacial más débil y mayor formación micro-grietas. La composición óptima 0,8% MWCNT/0,2% grafeno exhibió mayor densificación (≈97% teórica) y rendimiento mecánico.

Análisis fractura tracción

SEM superficies fractura mostraron hoyuelos típicos y facetas clivaje, con evidencia extracción grafeno y fragmentación MWCNT. Hojas grafeno aglomeradas contribuyeron a iniciación micro-grietas, mientras MWCNTs bien distribuidos mejoraron transferencia carga. El balance de estos efectos determina tenacidad general.

Conclusiones

1. Prensado caliente vacío e HIP producen efectivamente compuestos Cu/Ti₃SiC₂/C reforzados con MWCNTs y grafeno.
2. Sinergia surge de alta compacidad, dispersión homogénea y fuerte unión interfacial.
3. Mejor rendimiento mecánico se logra con 0,8% MWCNTs y 0,2% grafeno; más allá, aglomeración degrada propiedades.
4. Mejoras provienen de refinamiento grano, transferencia carga, Orowan y fortalecimiento interfacial.