从微纳到宏观：石墨烯包覆铜的多尺度热传输研究

背景介绍

随着5G通信、人工智能、高性能计算等前沿科技的飞速发展，电子器件的功率密度急剧攀升，对高效热管理材料的需求极为迫切。传统金属基热管理材料在热导率、热稳定性等方面已难以满足当下需求。在这一背景下，铜/石墨烯复合材料因其独特的结构设计和卓越的热物理性能而备受关注。但值得注意的是，传统石墨烯掺杂铜复合材料由于存在石墨烯分散不均匀、易发生团聚等问题，导致其实际热输运性能与理论预期值存在显著差距。

成果掠影

近日，北京石墨烯研究院刘忠范院士团队提出了一种跨尺度计算复合材料热导率的新方法，证实了石墨烯包覆铜材料卓越的热性能表现，并为工艺优化、性能提升以及可扩展石墨烯基复合材料的广泛应用提供了坚实的理论基础。研究团队基于微纳尺度的界面热导计算结果，成功推算出蒙烯铜复合材料的宏观热导率。研究发现，在相同尺寸条件下，铜粉基体表面生长的石墨烯含量显著高于铜箔基体。得益于石墨烯优异的面内热导性能和层间导热特性，蒙烯铜粉材料内部能够形成更为完善的三维导热网络，大幅提升了热量传递路径的连通性和传热效率，使其能够满足更高要求的散热应用场景。值得注意的是，在石墨烯层数相同的条件下，蒙烯铜粉相较于纯铜热导率的提升达到传统石墨烯掺杂铜复合材料的8倍。这一突破性发现充分验证了蒙烯铜复合材料作为新一代高效热管理材料的应用潜力。研究成果以“From Nano to Macro: Multiscale Calculations of Thermal Transport in Graphene-Skinned Cu Composites”为题发表在《 Advanced Functional Materials》期刊。

链接 | https://doi.org/10.1002/adfm.202508954

图文导读

图1. 高导热石墨烯包覆铜材料的设计与制备流程。a) 石墨烯包覆铜箔和铜粉的制备流程图及其内部高效传热通道示意图。b) 分子动力学模拟中900Å×42Å石墨烯面内热导率的计算模型(上)，及其累积能量(热沉、热源)和温度分布图(下)。c) 理想状态与传统化学气相沉积（CVD）合成石墨烯的热导率数据汇总，包含各类缺陷的影响，并附块体铜的热导率作为对比。

图2. 石墨烯包覆铜材料的纵向传热过程及其热导率影响因素。a)石墨烯包覆铜的界面传热流程图，其中过程I和III分别表示Cu/Gr或Gr/Cu界面的传热，过程II对应石墨烯层间(Gr/Gr)的传热。插图中特别指出，步骤I和III可能涉及i-iii)三种不同的声子和电子传热模式。b)分子动力学模拟采用的Cu/Gr界面原子尺度模型，以及不同电子-声子耦合方案(GS-1至GS-3)下的平均热导值计算结果。饼状插图定量展示了三种不同传热模式对界面总热导的相对贡献。c)典型Cu(111)/Gr界面的声子态密度(PDOS)(上)，以及不同Cu(hkl)/Gr或Gr/Gr界面的热导率值及其对应重叠度(下)。d)Cu/Gr界面热导率随石墨烯缺陷类型和浓度的变化规律。

图3. 石墨烯层数对Gr/Cu和Gr/Gr界面传热的影响。a) 石墨烯包覆铜界面多层石墨烯结构示意图。b) 不同层数石墨烯在Cu/Gr界面的声子态密度(PDOS)，彩色填充区域表示界面处石墨烯与铜原子的声子耦合。c) Gr/Cu和d) Gr/Gr界面热导率及相应重叠度随石墨烯层数的变化关系。

图4. 石墨烯包覆铜箔及铜粉宏观热导率预测。a) 石墨烯包覆铜（铜箔与铜粉）复合材料结构及传热通道示意图。b) 层叠石墨烯包覆铜箔（Zhou模型）、石墨烯包覆铜粉（DEM模型）和石墨烯掺杂铜（Zhou模型）的横向与纵向热导率随铜基体尺寸和石墨烯层数的变化规律。c) 展示Chu等[9]实测的石墨烯掺杂铜复合材料热导率，插图为石墨烯含量0%-0.5%区间的热导率变化细节。d) 石墨烯包覆铜与石墨烯掺杂铜（对比组设定n=1）热导率随石墨烯数量的变化趋势。