Carbon：高导热铜/石墨烯复合材料，用于高效的热管理

背景介绍

在现代科技飞速发展的背景下，热管理对于各类电子设备、电气系统以及众多工业领域的稳定运行和性能提升至关重要。目前常用的热管理材料中，铜（Cu）虽然应用广泛，但其导热系数仅局限在 ∼387 W m⁻¹ K⁻¹ ，在面对高功率密度设备产生的大量热量时，散热效率已显不足。高度有序的石墨烯薄膜（GFs）虽在平面上展现出约 1800 W m⁻¹ K⁻¹ 的高导热系数，然而，其石墨烯层间较弱的界面相互作用，致使结构可靠性欠佳，且在加工成型方面存在诸多难题，限制了大规模应用。因此，研发兼具高导热系数、良好结构可靠性与可加工性的新型热管理材料迫在眉睫 。

研究成果

近日，中国科学技术大学朱彦武教授团队在高导热铜/石墨烯复合材料取得新进展。铜 （Cu） 已广泛用于热管理，但导热系数限制在 ∼387  W m⁻¹ K⁻¹。高度有序的石墨烯薄膜（GFs）在平面上的导热系数约为 1800  W m⁻¹ K⁻¹，但由于石墨烯层之间的界面相互作用较弱，结构可靠性和可加工性仍然面临挑战。在此，我们报告了一种具有成本效益且易于扩展的英寸级铜/石墨烯薄膜/铜（Cu/GF/Cu）夹层复合材料的制备，以实现高效散热。Cu 和石墨烯之间的热界面优化是通过磁控溅射 GF 上镀一层薄 Cu，然后在真空中用两个 Cu 箔热压缩中间的 Cu 涂层 GF 以致密化夹层结构来实现的。由于 Cu 和石墨烯之间的原子致密界面热耦合，Cu/GF/Cu 复合材料的面内热导率（k）接近 GF 和 Cu 的线性组合所预测的理论值。所得的体积分数为 66.7%的 Cu/GF/Cu 复合材料具有 805.8 W m⁻¹ K⁻¹ 的显著 k，是 Cu 值的两倍多，在模拟热源上表现出优于裸 Cu 板的热扩散能力。这项工作提出了一种实用的策略，以制备高导热系数 Cu/GF 复合材料，以实现高效的热管理。该研究成果以“High thermal conductivity copper/graphene composites for efficient thermal management”为题，发表在《Carbon》上。

链接：doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120695

图文速览

图 1. (a) Cu/GF/Cu 的制备过程示意图。4 cm×4 cm 的 (b) 原始石墨烯薄膜和 (c) 镀铜石墨烯薄膜的光学图像。(d) Cu/GF/Cu 的照片。

图 2. (a) 原始石墨烯薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像和 (b) 原子力显微镜（AFM）图像。(c) 原始石墨烯薄膜和等离子体清洗后的石墨烯薄膜的拉曼光谱。(d) 镀铜石墨烯薄膜的扫描电子显微镜图像和 (e) 原子力显微镜图像。(f) 镀铜石墨烯薄膜和经环氧树脂处理的镀铜石墨烯薄膜的拉曼光谱。(g) 体积分数为 66.7% 的 Cu/GF/Cu 复合材料的横截面扫描电子显微镜图像（插图：能量色散 X 射线光谱图）以及 (h) 其界面处的放大图。(i) 从 Cu/GF/Cu 复合材料中间剥离层的拉曼光谱。

图 3. (a) 铜与石墨烯薄膜界面的透射电子显微镜（TEM）图像和 (b) 高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像。(c) 从 (b) 中红色虚线框区域放大的视图，分别展示了石墨烯薄膜区域、碳 / 铜界面区域和铜区域。(d) Cu/GF/Cu 界面区域的选区电子衍射（SAED）图谱。(e) Cu/GF/Cu 的 X 射线衍射（XRD）图谱。

图 4. (a) 石墨烯薄膜、铜箔和体积分数为 66.7% 的 Cu/GF/Cu 复合材料的典型应力 – 应变曲线。(b) 石墨烯薄膜、铜箔和体积分数为 66.7% 的 Cu/GF/Cu 复合材料在拉伸强度、断裂应变、杨氏模量和韧性方面的对比。

图 5. (a) Cu/GF/Cu 在面内和面外方向的传热示意图。(b) 不同石墨烯薄膜含量的 Cu/GF/Cu 的面内热导率（k_//），并与纯石墨烯薄膜和纯铜进行对比。(c) 体积分数为 66.7% 的单层和双层堆叠 Cu/GF/Cu 的面内热导率（k_//）。(d) 不同石墨烯薄膜含量的 Cu/GF/Cu 的面外热导率（k_⊥）。(e) Cu/GF/Cu 的面内热导率（k_//）与先前报道的铜 / 石墨烯复合材料的对比。(f) 加热 / 冷却过程中红外温度实际测量示意图。(g) 体积分数为 66.7% 的 Cu/GF/Cu、另一种 Cu/GF/Cu 变体（Cu/GF/Cu-D）和铜箔在加热 / 冷却过程中的温度变化曲线及（插图）红外图像。