Copper-Graphene Composite Materials : Manufacturing Technology and Properties

The article presents the results of preliminary research into the feasibility of copper-graphene composite application in the production of shaped charge liners in HEAT ammunition from graphene-coated copper grain powders by powder metallurgy techniques. Copper powder grains were coated with graphene with a machine and process developed at the Institute of Precision Mechanics in Warsaw (Poland). The characteristics of the applied powdered materials (including particle size distribution) were determined in this work. The paper discloses the result of graphene identification by Raman spectroscopy. The presence of graphene was confirmed in the processed copper powder. The paper discusses the preparation of copper powder by grinding (refinement) and reduction for consolidation. Powder mixtures of pure copper and graphene powder were applied at different component ratios. P/M compacts and sinters (agglomerates) for the test specimens were made from the proposed mixtures by die pressing and sintering in dissociated ammonia gas. Examples of microstructures and selected test results of material properties are shown for the produced sinters. The paper shows a selection of test results for the copper-graphene composites produced by PPS (Pulse Plasma Sintering) from 100% graphene-coated copper powder. The properties of the produced composite materials were determined, including their density, porosity, and a selection of mechanical properties identified by DSI (Depth Sensing Indentation). It was found that the copper-graphene composite met the primary design criteria applied to shaped charged liners for HEAT munitions. In “traditional” powder metallurgy processes, high-density products can be produced if the composite material features a low content of graphene-coated copper powder; PPS, however, makes the production viable with 100% graphene-coated copper powder.

W artykule przedstawiono wyniki wstępnych badań dotyczących możliwości zastosowania kompozytu miedź-grafen, jako materiału przeznaczonego do wytwarzania wkładek kumulacyjnych amunicji przeciwpancernej technologią metalurgii proszków z proszków miedzi pokrytych grafenem. Grafenowanie proszków realizowane było w oparciu o urządzenie i technologię opracowaną w InstytucieMechaniki Precyzyjnej w Warszawie. W pracy określono charakterystyki zastosowanych proszków (np. rozkład granulometryczny) oraz pokazano wyniki dotyczące identyfikacji grafenu na podstawie analiz wykonanych metodą spektroskopii Ramanowskiej. Potwierdzono obecność grafenu na proszkach miedzi. Przedstawiono informacje dotyczące przygotowania proszku do procesu konsolidacji, obejmujące jego rozdrabnianie i redukcję. Zastosowano mieszanki proszków czystej miedzi z proszkiem grafenowanym o różnych proporcjach. W celu wytworzenia wyprasek i spieków (w postaci próbek badawczych) z zaproponowanych składów mieszanek zastosowano prasowanie matrycowe oraz piekanie w atmosferze zdysocjowanego amoniaku. Przedstawiono przykładowe obrazy mikrostruktury oraz wybrane wyniki badań właściwości otrzymanych spieków. W pracy przedstawiono również wybrane wyniki badań kompozytów miedźgrafen wytwarzanych metodą PPS (Plasma Puls Sintering) z grafenowanego proszku miedzi (zaw. 100%). Określono podstawowe właściwości otrzymanych kompozytów, tj. m.in. gęstość, porowatość oraz wybrane właściwości mechaniczne wyznaczone metodą DSI (Depth Sensing Indentation). Stwierdzono, że kompozyt miedź-grafen spełnia główne wymagania stawiane materiałowi na wkładki kumulacyjne. W przypadku „tradycyjnych” technologii metalurgii proszków uzyskanie wyrobu o wysokiej gęstości możliwe jest w przypadku kompozytu o ograniczonej zawartości grafenowanego proszku miedzi, natomiast dla technologii PPS również dla 100% zawartości proszku grafenowanego.