Efek Sinergis Grafena dan MWCNT pada Struktur Mikro dan Sifat Mekanik Nanokomposit Cu/Ti3SiC2/C

Hasil dan Diskusi

Mikrostruktur Bubuk dan Identifikasi Fase

Paduan mekanis adalah teknik yang melibatkan serangkaian proses fisik dan kimia seperti deformasi berulang, pengelasan dingin, dan rekahan untuk serbuk komposit menggunakan penggilingan bola energi tinggi. Bubuk digiling menjadi ukuran mikron atau bahkan ukuran nano. Mereka dicampur dengan baik untuk menghasilkan bubuk komposit. Penggilingan ini diharapkan dapat meningkatkan dispersi homogen GNP/MWCNTs dalam matriks tembaga dengan paduan mekanis dan mencapai ikatan antarmuka yang diinginkan dengan penempaan mini, sehingga meningkatkan sifat mekanik dari bahan yang dihasilkan. Gambar SEM dari Cu, Ti₃ SiC₂ , C, MWCNT, dan bubuk GNP setelah penggilingan bola ditunjukkan pada Gambar. 1. Partikel yang lebih besar adalah Cu, dan partikel yang lebih kecil yang terdispersi secara merata di antara partikel Cu adalah Ti₃ SiC₂ dan C. Pada perbesaran yang lebih tinggi, keadaan menjembatani MWCNTs dan keadaan tertanam bubuk GNP, seperti yang ditunjukkan oleh panah pada Gambar. 1, tersebar pada permukaan perifer partikel Cu. Pengelasan dingin memungkinkan matriks tembaga terikat dengan baik ke GNP/MWCNT. GNP dengan transparansi tertentu dan MWCNT linier berliku didistribusikan di permukaan atau di bagian dalam aglomerat partikel tembaga. Seperti ditunjukkan pada Gambar. 1a, sebagian besar MWCNT tidak teratur dan terdistribusi pada permukaan partikel tembaga. MWCNTs membentuk jembatan antara aglomerat partikel tembaga seperti yang ditunjukkan pada tatahan dan ditunjukkan oleh panah. Hal ini menunjukkan bahwa proses ball-milling mempromosikan ikatan antarmuka antara MWCNTs penguat dan matriks [26]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1b, GNP aglomerat didistribusikan pada permukaan matriks tembaga. Aglomerasi terjadi di GNP, seperti yang ditunjukkan oleh panah. Luas permukaan spesifik GNP yang sangat besar secara intrinsik dan adanya gaya van der Waals meningkatkan kerentanan terhadap aglomerasi, menurunkan keseragaman dispersi, dan mengurangi ikatan antarmuka. Pada Gambar. 1c, seperti yang ditunjukkan oleh panah, GNP ukuran kecil dimasukkan ke dalam matriks karena aksi mekanis penggilingan bola, tumbukan, dan gesekan antara partikel serbuk komposit dan GNP selama penggilingan bola, sehingga meningkatkan kekuatan ikatan antarmuka. Namun demikian, banyak kerutan terjadi pada GNP, sehingga mengurangi area kontak efektif antara GNP dan matriks. Pada Gambar 1d, seperti yang ditunjukkan oleh panah, MWCNT ditanamkan ke dalam matriks Cu dan didistribusikan pada permukaan partikel Cu dengan cara yang tidak teratur. Secara umum, proses pencampuran ball-milling efisien, menghasilkan inlay efektif dari beberapa GNP/MWCNT ke dalam partikel matriks tembaga. Namun demikian, aglomerasi GNP/MWCNT masih sangat parah.

Gambar SEM bahan baku Cu, Ti₃ SiC₂ , C, MWCNT, dan bubuk graphene setelah ball milling, diambil pada perbesaran rendah (b ) dan perbesaran tinggi (a , c , d ). a –c Nanokomposit dengan 0,5 berat% graphene dan 0,5 berat MWCNT. d Nanokomposit dengan 0,8 berat% graphene dan 0,2 berat MWCNT

Hasil XRD bahan baku diantaranya Cu, Ti₃ SiC₂ , C, MWCNT, dan GNP setelah ball milling ditunjukkan pada Gambar 2. Hasil menunjukkan perubahan identifikasi fase baru dari bahan mentah ke proses paduan mekanis. Cu, Ti₃ SiC₂ , dan grafit terdeteksi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2, menunjukkan bahwa identifikasi fase tidak terjadi selama proses paduan mekanis. Tidak ada puncak difraksi yang diamati untuk CuO atau Cu₂ O, menunjukkan bahwa serbuk tembaga tidak teroksidasi, tidak terjadi reaksi dekomposisi untuk Ti₃ SiC₂ , dan tidak ada reaksi kimia yang terjadi.

Pola XRD bahan baku setelah penggilingan bola. Nanokomposit dengan 0,8 berat% graphene dan 0,2 berat MWCNT, nanokomposit dengan 0,5 berat graphene dan 0,5 berat MWCNT, dan nanokomposit dengan 0,2 berat graphene dan 0,8 berat MWCNT

Identifikasi Fase Nanokomposit dan Struktur Mikro

Kekompakan nanokomposit yang dibuat dengan grafena 0,2% berat dan MWCNT 0,8 berat mendekati kekompakan nanokomposit yang disiapkan dengan grafena 0,5% berat dan MWCNT 0,5% berat. Namun, kekompakannya menurun menjadi 96,43% ketika komposisinya adalah 0,8 % berat graphene dan 0,2 % berat MWCNT. Seperti disebutkan di atas, dengan peningkatan kandungan GNP, aglomerasi fase penguatan menunjukkan tren yang meningkat dan dengan demikian melemahkan efeknya untuk menghaluskan butir dan menghambat sintering dan bonding, pembentukan dan pertumbuhan leher sintering, dan penutupan celah antara partikel Cu . Dengan cara ini, GNP dapat mempengaruhi difusi dan migrasi antara atom Cu dan meningkatkan porositas. Oleh karena itu, kekompakan nanokomposit yang disinter menurun dengan meningkatnya GNP. Dalam percobaan, kekompakan nanokomposit yang dibuat dengan 0,2% berat graphene dan 0,8% berat MWCNT lebih kecil dibandingkan nanokomposit yang dibuat dengan 0,5% berat graphene dan 0,5% berat MWCNT, tetapi perbedaan ini sangat kecil. Akibatnya, peningkatan sinergis GNP/MWCNT meningkatkan aglomerasi penguatan dan menurunkan efek penyempurnaan butir, menghambat sintering partikel Cu, pembentukan dan pertumbuhan leher sinter, dan proses penutupan celah. Secara keseluruhan, GNPs/MWCNTs mempengaruhi difusi atom Cu antara matriks dan penguat untuk mengurangi ikatan antar muka dan meningkatkan porositas nanokomposit.

Dalam informasi struktur mikro metalografi yang disajikan pada Gambar. 3, struktur putih adalah matriks Cu, struktur abu-abu adalah Ti₃ SiC₂ , dan bagian hitam adalah C atau lubang. Fasa Cu pada dasarnya terhubung untuk membentuk matriks, yang merupakan struktur seperti jaringan terputus yang didistribusikan pada Ti₃ SiC₂ atau TiC. Tetapi grafit didistribusikan dengan cara yang benar-benar terisolasi sehingga sebagian besar grafit didistribusikan secara merata dalam matriks Cu dalam bentuk yang lebih kecil, seperti cacing atau bentuk flokulan yang tidak teratur, sehingga meningkatkan sifat pelumas anti-gesekan dari nanokomposit yang disinter. Selama sintering nanokomposit, partikel Cu tidak berinteraksi dengan Ti₃ SiC₂ dan bubuk grafit. Partikel Cu yang setengah meleleh disinter ke dalam matriks tembaga setelah berkontak satu sama lain untuk membentuk permukaan ikatan yang memungkinkan pembentukan dan pertumbuhan leher sintering dan pembentukan pori-pori tertutup. Keterlibatan mekanis asli berubah menjadi ikatan metalurgi interatomik. Grafit atau GNP dan MWCNT yang diaglomerasi dipertahankan dalam pori-pori tertutup untuk membentuk area hitam yang terlihat jelas dalam struktur mikro metalografi. Ti₃ SiC₂ serbuk juga mengalami proses sintering dengan partikel Cu, sehingga membentuk Ti₃ . abu-abu SiC₂ daerah dalam struktur mikro metalografi. Menurut laporan penelitian tentang analisis XRD dari nanokomposit serupa yang disinter, perbedaannya adalah sebagai berikut:Ti₃ SiC₂ didekomposisi menjadi Si dan TiC pada suhu sintering 950 °C [27]. Atom Si dan matriks tembaga bereaksi menghasilkan Cu₉ Si, yang meningkatkan ikatan antarmuka antara matriks Cu dan Ti₃ SiC₂ [27].

Hasil metalografi dari nanokomposit yang disinter dengan 0,8 % berat graphene dan 0,2 % berat MWCNT dalam arah yang berbeda (a sejajar dengan tekanan dan b adalah tegak lurus terhadap tekanan)

Fase metalurgi nanokomposit ditunjukkan pada Gambar. 3 dalam arah memanjang dan melintang relatif terhadap arah pengepresan panas. Terdapat perbedaan yang signifikan pada struktur mikro fasa metalurgi tegak lurus dan sejajar dengan arah pengepresan panas. Grafit di wilayah hitam yang tegak lurus dengan arah pengepresan panas menunjukkan bentuk flokulan, dan grafit di wilayah hitam yang sejajar dengan arah pengepresan panas menunjukkan bentuk yang lebih ramping. Alasan perbedaan ini adalah sebagai berikut:Proses sintering pengepresan panas adalah pengepresan satu tindakan. Tekanan vertikal diterapkan pada bubuk komposit dalam cetakan grafit silinder. Terdapat perbedaan morfologi yang signifikan antara grafit yang tegak lurus arah pengepresan panas dan grafit yang sejajar dengan arah pengepresan panas, karena grafit secara intrinsik mengembang. Perbedaan ini dipertahankan setelah pengepresan isostatik, karena tekanan yang diterapkan pada badan hijau komposit sama di setiap arah selama pengepresan isostatik setelah langkah sintering pengepresan panas. Dengan demikian, perbedaan morfologi yang terbentuk selama sintering pengepresan panas tetap ada.

Untuk lebih mengidentifikasi produk, struktur mikro nanokomposit dianalisis oleh EPMA untuk pemetaan unsur. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a, gambar hamburan balik (BS) menunjukkan butiran Cu pada kontras yang lebih tinggi, dan Ti₃ SiC₂ dan C terletak di antara butir Cu dengan kontras lebih gelap. Berdasarkan distribusi Cu dalam nanokomposit sinter yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, wilayah merah mewakili Cu dan merupakan mayoritas material. Bintik-bintik merah terang pada Gambar. 4c mewakili elemen C. Dapat disimpulkan bahwa aglomerasi terjadi pada nanokarbon. Berdasarkan pengamatan distribusi Ti pada Gambar 4d, titik terang kuning tidak beraturan yang tersebar di seluruh matriks adalah Ti, sesuai dengan fase abu-abu pada Gambar 4a. Demikian pula, titik terang hijau pada Gambar. 4e mewakili distribusi Si dalam nanokomposit yang disinter. Berdasarkan pengamatan ini, Si terdistribusi secara merata. La juga tersebar dalam nanokomposit yang disinter, dan bintik-bintik merah terang pada Gambar. 4f mewakili La. La ditambahkan untuk meningkatkan kekompakan nanokomposit yang disinter. Dispersi homogen yang diamati dalam nanokomposit yang disinter sangat penting untuk sifat yang dihasilkan dari bahan yang disiapkan.

Analisis EPMA dari nanokomposit yang disinter dengan 0,2% berat graphene dan 0,8% berat MWCNT. a Gambar BS, b Peta Cu, c C peta, d Peta, e Si peta, dan f La peta

Bintik abu-abu muda dari Ti₃ SiC₂ diamati dan ditunjukkan dalam kotak garis putus-putus pada Gambar. 4a, dan Cu dan Ti hadir dalam kotak garis putus-putus pada Gambar. 4b, d. Dalam kotak garis putus-putus pada Gambar 4b, perubahan warna dari merah terang menjadi hijau dari matriks ke pusat titik terang, menunjukkan bahwa konsentrasi Cu menurun secara bertahap. Di dalam kotak garis putus-putus pada Gambar 4c, warna Ti berubah dari jingga di bagian dalam menjadi hijau di bagian luar. Dapat disimpulkan bahwa konsentrasi Ti₃ SiC₂ sedang menurun secara bertahap. Hasil ini menunjukkan bahwa fasa Cu dan Ti₃ SiC₂ fase terikat erat dan Cu dan Ti₃ SiC₂ memiliki keterbasahan yang tinggi [27].

Berdasarkan pengamatan dan perbandingan daerah yang ditunjukkan oleh panah pada Gambar 4a-c, dapat disimpulkan bahwa zat seperti kecebong hitam terutama terdiri dari C. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4c, pusat C berwarna merah cerah, menunjukkan bahwa konsentrasi C tinggi. Lingkaran hijau di sekitar bintik-bintik merah terang menunjukkan bahwa konsentrasi C berkurang secara bertahap dari pusat bintik-bintik terang ke luar. Seperti yang ditunjukkan oleh panah pada Gambar. 4b, warna berubah dari merah terang menjadi hijau dan kemudian warna akhir menjadi biru tua, bergerak dari matriks ke pusat titik terang. Perubahan warna menunjukkan bahwa konsentrasi Cu menurun secara bertahap. Proses perubahan bertahap seperti itu dari dua elemen memverifikasi difusi timbal balik C dan Cu, menunjukkan ikatan yang erat antara fase penguatan C dan matriks Cu. Kandungan Cu dalam kotak garis putus-putus merah tinggi dan stabil, dan kandungan C yang sesuai rendah tetapi stabil, menunjukkan sejumlah kecil C berdifusi dalam Cu. Cu dan C tidak akan bereaksi untuk menghasilkan zat baru di bawah kondisi percobaan. Hasil ini menunjukkan bahwa C sebagian berdifusi menjadi Cu, dan bentuk Cu dan C terikat dengan baik.

Gambar 5 menyajikan hasil pemindaian linier pada posisi acak nanokomposit yang disiapkan dengan 0,2% berat graphene dan 0,8% berat MWCNT. Gambar 5a menunjukkan distribusi garis elemen Cu, dan Gambar 5b adalah garis distribusi elemen C. Kandungan unsur Cu tinggi pada kotak garis putus-putus merah dan tetap stabil. Kandungan elemen C yang sesuai rendah dan juga tetap stabil. Hal ini dapat menjelaskan, setidaknya sebagian, difusi sejumlah kecil C ke dalam Cu karena Cu dan C dalam kondisi percobaan ini tidak akan bereaksi untuk menghasilkan fase baru. Oleh karena itu, Cu dan C merupakan kombinasi yang baik karena atom karbon dapat berdifusi dalam atom tembaga.

Pemindaian garis distribusi elemen nanokomposit yang disinter dengan graphenes 0,2% berat dan MWCNT 0,8% berat. a Cu dan b C

Gambar TEM dari nanokomposit yang disiapkan dengan 0,5% berat graphene dan 0,5% berat MWCNT ditunjukkan pada Gambar 6. Gambar 6a adalah gambar TEM yang menunjukkan mikrostruktur nano-karbon dalam matriks Cu, dan Gambar 6b ​​adalah gambar TEM yang diperbesar dari Gambar 6a. di mana struktur mikro nano-karbon yang dapat ditemukan pada gambar tersebut, disisipkan pada Gambar 6a, adalah spektrum EDS yang diambil dari titik simbol silang bertanda 1 dan 2. Gambar 6c, d adalah analisis gambar TEM resolusi tinggi yang diambil dari tanda silang bertanda titik 1 dan 2 pada Gambar 6a. Bila digabungkan dengan hasil morfologi dan EDS, mengarah pada kesimpulan bahwa karbon nano berbentuk batang padat, susunan atomnya berbeda nyata dengan atom tembaga dan bergabung dengan baik, sedangkan cincin difraksi pada Gambar 6c, d menunjukkan GNP dan MWCNT ' aglomerasi serius [28].

a –d Gambar TEM dalam nanokomposit yang disinter dengan graphene 0,5 berat dan MWCNT 0,5 berat. a Gambar TEM menunjukkan mikrostruktur nano-Karbon dalam Cu; b Gambar TEM yang diperbesar dari Gambar 6a; c Analisis gambar TEM resolusi tinggi yang diambil dari titik simbol silang bertanda 1 pada Gambar 6a; d Analisis citra TEM resolusi tinggi yang diambil dari titik simbol silang yang ditandai 2 pada Gambar 6a. Disisipkan di a adalah spektrum EDS yang diambil dari titik simbol silang bertanda 1 dan 2

Gambar 7a adalah gambar TEM graphene dalam nanokomposit sinter yang disiapkan dengan 0,5% berat graphene dan 0,5% berat MWCNT. Dari Gambar 7a, terlihat bahwa graphene terdapat dalam matriks Cu. Hasil yang disisipkan pada Gambar 7a adalah spektrum EDS yang diambil dari Gambar 7a. Grafena tampak tembus cahaya, ujung-ujungnya melengkung, dan grafena sebagian besar masih dalam lapisan tunggal dalam komposit, dengan distribusi yang merata.

a Gambar TEM dari graphene dalam nanokomposit yang disinter dengan graphene 0,5 berat dan MWCNT 0,5 berat. b Pola difraksi dari Gambar 7a. Disisipkan pada Gambar 7a adalah spektrum EDS yang diambil dari Gambar 7a

Gambar 8 menunjukkan pola XRD nanokomposit di mana TiC dan Cu₉ Si terdeteksi. Hasil ini mirip dengan hasil pada Gambar. 2 dari serbuk nanokomposit dan tiga jenis Cu/Ti₃ SiC₂ /C/ komposit graphene. Ti₃ SiC₂ terdekomposisi pada suhu tinggi, dan produk dekomposisi dan matriks Cu akan bereaksi menghasilkan Cu₉ Si. Pada suhu tinggi, struktur ikatan lemah antar lapisan khusus dari Ti₃ SiC₂ dapat memudahkan atom Si untuk memutuskan ikatan penahan untuk membentuk Si bebas. Si yang terdekomposisi masuk ke matriks Cu membentuk larutan padat Cu-Si [27]. TiC adalah produk dekomposisi dari Ti₃ SiC₂ selama sintering karena atom Si terpisah dari Ti₃ SiC₂ [27]. TiC merupakan fasa getas yang keras dengan titik leleh yang tinggi, sehingga memiliki karakteristik kekerasan yang tinggi. Cu₉ Si juga merupakan fase getas keras. Baik TiC dan Cu₉ Si dapat menyebabkan konsentrasi tegangan, yang dapat mengurangi kinerja nanokomposit.

Pola XRD nanokomposit yang disinter:Nanokomposit dengan 0,8 berat graphene dan 0,2 wt% MWCNT, nanokomposit dengan 0,5 berat graphene dan 0,5 berat MWCNT, dan nanokomposit dengan 0,2 berat graphene dan 0,8 wt% MWCNT

Analisis termodinamika reaksi yang mungkin terjadi dapat dianalisis melalui reaksi berikut selama proses sintering komposit [11]:

Energi bebas reaksi Gibbs (1) di mana Ti₃ SiC₂ terurai dapat dihitung sebagai: _r G _m =  ∑ ν _{B f} G _m =  ‐ 106.52kJ/mol < 0 menunjukkan bahwa reaksi dapat terjadi [11]. Untuk reaksi (2), energi bebas Gibbs dari reaksi dapat dihitung sebagai:(4) − (3) = (2), dan _r Gm reaksi (2) adalah 66,99 kJ/mol. Dengan demikian, reaksi (4) cenderung terjadi lebih sering daripada reaksi (3), yang konsisten dengan tidak adanya senyawa SiC dalam analisis fase XRD.

Sifat Mekanik dan Analisis Retak Tarik Bahan Nanokomposit

Sampel diuji menggunakan Micro Vickers Hardness Tester dimana kekerasan komposit diberikan sebagai

di mana HV adalah kekerasan Micro Vickers, F adalah pemuatan (gf), A adalah luas permukaan lubang lekukan (mm ² ), dan d adalah lekukan sisa dari dua panjang diagonal, d = (d1 + d2)/2.

Hasil uji kekerasan mikro Vickers untuk nanokomposit ditentukan dan tercantum dalam Tabel 4. Kekerasan mikro nanokomposit yang disinter menunjukkan tren yang sedikit menurun, turun menjadi 96,859 dari 97,787 ketika komposisi berubah dari 0,5% berat graphene dan 0,5% berat MWCNT hingga 0,2 % berat graphene dan 0,8 berat MWCNT. Namun, kekerasan mikro dari nanokomposit yang disinter menurun secara signifikan sebesar 9,4%, menurun menjadi 88,626 dari 97,787, ketika kandungan GNP meningkat menjadi 0,8 berat. Secara keseluruhan, dengan meningkatnya kandungan GNP, kekerasan nanokomposit yang disinter menunjukkan tren penurunan. Penyebab mendasar dari tren tersebut adalah sebagai berikut:(1) Dengan meningkatnya kandungan GNP, aglomerasi lebih mungkin terjadi di GNP daripada di MWCNT, karena GNP memiliki diameter yang lebih besar. Akhirnya, aglomerasi terjadi pada fase penguatan saat GNP dan MWCNT meningkat. Dengan demikian aglomerasi menurunkan jumlah fase penguatan yang mentransmisikan beban dan menurunkan kekerasan nanokomposit yang disinter [11, 13, 22]. Sintering menurunkan ikatan antar matriks, meningkatkan fraksi rongga, dan menurunkan kekompakan dan kekerasan nanokomposit yang disinter [11, 13, 22]. (2) Dengan peningkatan konten GNP, konten terkait MWCNT menurun.

Sifat mekanik yang diukur dari nanokomposit tercantum pada Tabel 4. Ketika koefisien tegangan lunak (α) dari uji kompresi uni-aksial adalah 2, itu lebih lembut daripada keadaan tegangan tarik dan dapat menunjukkan perilaku mekanis bahan rapuh di keadaan plastik. Dari Tabel 4, kekuatan tekan nanokomposit menurun dengan meningkatnya konten GNP. Perbedaan kekuatan tekan nanokomposit berada dalam 2% untuk nanokomposit yang disiapkan dengan 0,2% berat dan 0,5% berat GNP. Bahan yang disiapkan dengan GNP 0,8 wt% menunjukkan penurunan kekuatan tekan sebesar 12%. Demikian pula, kekuatan tarik nanokomposit menurun 12%. Untuk nanokomposit yang diperkuat secara sinergis oleh GNP dan MWCNT, aglomerasi GNP dan MWCNT meningkat dengan meningkatnya jumlah GNP, yang dapat menyebabkan distribusi GNP dan MWCNT yang tidak merata dalam nanokomposit. Pembentukan retakan mikro yang tidak beraturan juga meningkat pada proses sintering kompresi, dan ikatan antarmuka dengan matriks tembaga buruk karena aglomerasi, yang pada akhirnya menyebabkan penurunan kekuatan tekan dan kekuatan tarik nanokomposit [22].

Tabel 4 juga menunjukkan data kekuatan geser nanokomposit. Seperti yang ditunjukkan di atas, tren umum tampaknya menurun kekuatan geser sebagai konten GNPs meningkat. Perbedaan kekuatan geser nanokomposit kecil (hanya turun hingga 3,6%) untuk nanokomposit dengan 0,2% berat dan 0,5% berat GNP. Namun, untuk material GNP 0,8 berat, kekuatan geser nanokomposit menurun 20,6%. Tren perubahan kekuatan geser yang diamati dari nanokomposit konsisten dengan kekuatan tarik dan tekan dari nanokomposit. Hal tersebut dikarenakan kuat geser mencerminkan kohesi material termasuk gaya interkoneksi atomik atau antarmolekul, sehingga kuat geser dapat digunakan sebagai indikator kekuatan ikat antarmuka antara matriks tembaga dengan fasa penguatan. Aglomerasi GNP dan MWCNT meningkat dengan meningkatnya kandungan GNP, yang dapat menyebabkan distribusi GNP dan MWCNT yang tidak merata dalam nanokomposit. Secara bersamaan, luas permukaan spesifik yang besar dan ketebalan yang kecil antara graphene dan matriks tembaga memungkinkan ikatan antar muka dan transfer kekuatan geser [29]. Thereby, a decline in the shear-lagging enhancement phase could result in a decrease of the shear strength of the nanocomposite material.

Tensile deformation curves of nanocomposites were determined and are shown in Fig. 9. The tensile strength of the sintered nanocomposites primarily depends on the compactness of sintered nanocomposites, homogeneous dispersion of the reinforcement phase, and interface bonding between the reinforcement phase and the matrix (or wettability). With increased content of GNPs, the tensile strength of the sintered nanocomposites exhibited a decreasing trend. There were minor differences in tensile strength between the sintered nanocomposites prepared with 0.2 wt% GNPs or 0.5 wt% GNPs. However, the tensile strength of the sintered nanocomposites decreased by 12% when the content of GNPs increased to 0.8 wt%. This is consistent with the variation trend of the compactness of the sintered nanocomposites. With the increase of the content of GNPs, the agglomeration of the reinforcement phase increases and the extent of heterogeneous distribution in the sintered nanocomposites increases, thus loosening the organization of the sintered nanocomposites [30]. Agglomeration of GNPs and MWCNTs prevents the effects of improved strength and reinforcement, thus decreasing the tensile strength of the sintered nanocomposites. If the extent of agglomeration of the reinforcement phase increases, the extent of irregular microcracks would also increase during the pressing-sintering process. This results in increased stress concentration and decreased effective bearing area of the stress. Finally, the tensile strength of the sintered nanocomposites decreases. Due to the non-wetting between the Cu matrix and GNPs and MWCNTs, the interface bonding is dominated by physical and mechanical bonding. The dispersion is much better and certain interface bonding occurs for low GNPs and MWCNTs. In this study of GNP/MWCNT synergistic action, with an increase of GNPs, the agglomeration extent of the reinforcement phase increased and the interface bonding was weak, thus decreasing the capacity of the reinforcement phase to transmit the load and finally decreasing the tensile strength of the sintered nanocomposites [22].

Tensile deformation curves of sintered nanocomposites:Nanocomposites with 0.8 wt% graphenes and 0.2 wt% MWCNTs, nanocomposites with 0.5 wt% graphenes and 0.5 wt% MWCNTs, and nanocomposites with 0.2 wt% graphenes and 0.8 wt% MWCNTs

In summary, co-operative enhancement effects of multi-phase reinforcements were significantly higher than single MWCNT enhancement effects or without GNP/MWCNT synergistic action for the mechanical properties of Cu/Ti₃ SiC₂ /C, Cu/Ti₃ SiC₂ /C/MWCNTs, and Cu/Ti₃ SiC₂ /C nanocomposites reinforced by MWCNTs and graphene. These enhancing effects include grain refinement strengthening, load transfer strengthening, Orowan mechanism strengthening, and large interface strengthening of GNPs.

Figure 10 presents SEM analyses of tensile fracture microscopic process of the nanocomposites. As shown in Figs. 10a, b, the fracture surface of the nanocomposites exhibits a typical dimple and cleavage fracture pattern. Simultaneously, due to non-wetting phenomenon between GNPs, MWCNTs, and the Cu matrix, or due to defects in the sintering process, cracks or holes were evident, as indicated by arrows 2 and 3. This is consistent with the absence of GNPs, MWCNTs, and Cu matrix in the TEM analysis. Stress concentration occurs at cracks or holes of nanocomposites, and microcracks can initiate in these regions to form cracks or holes that can propagate and lead to fracture. Graphene itself has a large specific surface area that increases the contact area with the Cu matrix to promote interface bonding, but also makes it more prone to agglomeration [13]. In Fig. 10c, graphene sheets are pulled out during the tensile test as indicated by arrows 2 and 3. The two arrows show interface bonding between graphene and the Cu matrix. The agglomerated graphene atoms are pulled out from the adjacent micro-cracks at arrow 2, because the agglomeration of graphene leads to the formation of cracks. The graphene is embedded in the Cu matrix because the interface bonding is good between the graphene and the Cu matrix. However, agglomerated graphene sheets can be seen in Fig. 10d and are not effectively transferred during loading in the matrix. Under tensile stress, agglomerations can form micro-cracks and extend sequentially into a crack or form a secondary crack [13, 22, 30]. Additionally, the unique fold structure of graphene can be seen as indicated by the arrow in Fig. 10d. The graphene atoms are first flattened and then rupture when subjected to stress, leading to a certain strengthening-toughening effect. As shown in Fig. 10e, MWCNTs have been embedded in the Cu matrix, explaining MWCNTs good loading transfer ability and the improved tensile strength of the nanocomposites [11]. Nevertheless, as shown in Fig. 10e, f, the disordered aggregation of MWCNTs is observed, and micropores or microcracks are formed in the agglomeration region, which decrease the strength of the nanocomposites.

a −f SEM images of fractures of the sintered nanocomposites with 0.5 wt% graphenes and 0.5 wt% MWCNTs