Nano Res.[碳]│北京大学刘开辉课题组: “应变-滑移”机制揭示石墨烯在铜复合材料中的结构完整性成因

背景介绍

石墨烯因其优异的导电、散热和力学性能，被广泛认为是提升铜基复合材料综合性能的理想增强相。然而，在石墨烯/铜（Gr/Cu）复合材料的加工与拉伸过程中，界面耦合效应可能导致石墨烯在高应变条件下因剪切作用而发生结构破裂，从而限制其在高塑性铜基材料中的应用潜力。当前，对于“石墨烯在强变形条件下是否能够保持结构完整性”这一核心问题，仍缺乏明确的机制性认识。

成果简介

本研究通过构建Gr/Cu箔材拉伸模型，结合原位光学表征、拉曼光谱分析与表面电势测量，首次提出“应变-滑移”机制。具体而言，石墨烯在铜基体拉伸初期与之协同变形；当应变超过临界值后，界面发生相对滑移，从而有效避免石墨烯断裂，保持其结构完整性与功能性。通过拉曼光谱矢量分解分析，以及开尔文探针原子力显微镜对表面电势演化过程的表征，系统验证了该机制的合理性与普适性。在“应变-滑移”机制的支持下，团队成功利用极限拉伸Gr/Cu复合材料制备出Gr/Cu线，并展示出优异的拉伸稳定性。石墨烯的引入显著提升了铜线的综合性能：直径为1.14 mm的Gr/Cu线的极限拉伸强度达到428 MPa，相比相同工艺下的纯铜线提升了12.9%；经退火处理后，Gr/Cu线的电导率达102.2% IACS，与纯铜线相当，表明石墨烯的引入并未显著损害导电性能。随着未来石墨烯在铜基体中的分散均匀性和本征质量的进一步提升，Gr/Cu线的整体性能仍有望实现更大突破。

图文导读

本研究构建了单层石墨烯/铜箔复合材料的拉伸模型，并结合光学显微成像与拉曼光谱系统性揭示了石墨烯在应变过程中的“应变-滑移”行为机制。研究发现，当石墨烯随铜基体应变达到临界值后，其不再继续协同变形，而是发生界面滑移，从而有效避免结构破坏并保持自身完整性。通过拉曼矢量分析发现，石墨烯的实际应变远小于铜基体，并据此计算出极低的界面剪切应力（～1.8 MPa）。该研究成果为Gr/Cu复合材料在极端应变条件下的功能保持与结构稳定性提供了重要的机制解释。

图1展示了Gr/Cu复合材料在拉伸过程中的应变响应与形貌演化。石墨烯在初期协同变形，超过临界应变后与铜衬底发生相对滑移。

图2利用拉曼光谱对拉伸过程中铜箔上石墨烯的应变与掺杂行为进行定量分析。通过G峰与2D峰的矢量分解，确认石墨烯实际应变远小于铜基体，进一步证明滑移机制的存在及其对石墨烯结构稳定性的保护作用。

作者简介

通讯作者：刘开辉，北京大学博雅特聘教授，凝聚态物理与材料物理研究所所长。主要从事材料物理和光谱物理研究。近年来，发表通讯作者论文包括Science 3篇、Nature 3篇、Nature子刊23篇，PRL 3篇，主编专著1部，授权国家发明专利50余项。曾获国家杰出青年科学基金、腾讯科学探索奖、北京市自然科学一等奖、中国物理学会胡刚复奖等。目前担任国家工程重点项目首席科学家、国家重点研发计划项目首席科学家、国家重大科研仪器研制项目负责人。研究成果入选2020年度中国重大技术进展，2020年、2024年中国半导体十大研究进展，2024年、2025年中关村论坛重大成果。

课题组网站：http://liugroup.pku.edu.cn/chs_home.html

文章信息

Zhao C, Zhang Z, Wang Y, et al. Robust integrity of graphene in heavily stretched copper composites. Nano Research, 2025, https://doi.org/10.26599/NR.2025.94907485.