近日，北京科技大学蒋波团队与中车工业研究院有限公司裴中正团队合作，通过 “CVD沉积石墨烯+真空热压+定向切割+80%冷轧”工艺，结合 0.0027 vol% 微量石墨烯的垂直取向设计，解决了铜基材料增强强度必降导电性的传统难题。相关成果以“Enabling Synergistic Mechanical Strength and High Electrical Conductivity in Cold-Rolled Graphene/Copper Laminate Composite via Trace Graphene and Controlled Orientation”为题发表于《Journal of Alloys and Compounds》期刊。
背景介绍
铜因优异的导电性和加工性，广泛应用于电力传输、集成电路引线框架等领域，但现代电子设备向小型化、高功率密度发展的过程中，对铜基材料提出了 “高强度+高导电性” 的双重需求，而这两种性能在传统铜基材料中存在固有权衡 —— 添加合金元素强化强度会引入晶格畸变，降低导电性；单纯提升导电性又会牺牲力学性能。石墨烯凭借超高载流子迁移率，被视为理想的铜基复合材料增强相，但此前因石墨烯与铜界面润湿性差、分散不均等问题，难以实现性能突破。
文章亮点
该研究核心亮点基于严谨实验数据的性能突破与工艺创新。
首先，通过卷对卷 CVD 技术在铜箔两侧沉积单层石墨烯，堆叠 2000 层后经 950°C、130 MPa 真空热压制备复合材料，仅含 0.0027 vol% 的微量石墨烯，就实现了 105.78% IACS（水平取向）和 105.86% IACS（垂直取向）的超高导电性，远超传统铜基复合材料。
其次，经 80% 冷轧处理后，水平取向石墨烯 / 铜复合材料（HGCLC-CR80）的抗拉强度从 175 MPa 提升至 317 MPa，屈服强度达 301 MPa，而导电性仅微降至 104.47% IACS，伸长率保持 10.0%。
更关键的是，通过垂直取向石墨烯设计（VGCLC-CR80），在相同石墨烯含量和冷轧条件下，抗拉强度进一步提升至 351 MPa，屈服强度 334 MPa，伸长率提升至 11.4%，导电性仍维持在 104.27% IACS，强度提升的同时几乎无导电性损失。
此外，该工艺具有良好的规模化潜力，制备的块体复合材料尺寸可达 150mm×50mm×100mm，且石墨烯均匀分散于铜基体中，形成了原子级洁净的界面结合。
图文解析
图 1. 采用定向化学气相沉积（CVD）结合后续热压（HP）与冷轧（CR）工艺制备高取向 Gr 分布 Gr/Cu 复合材料的流程示意图。（a）通过 CVD 在原始多晶铜箔两侧沉积 Gr，随后堆叠 2000 层 Gr/Cu/Gr 箔材并进行热压；（b）将复合材料切割为不同取向后进行冷轧；（c、d）水平堆叠和垂直堆叠的层状样品在不同加工阶段的实际形貌；（e）各类表征所用试样的加工示意图。
总结展望
这项研究通过精准调控石墨烯取向、控制微量添加量，并结合真空热压与冷轧的协同作用，既利用石墨烯的结构优势强化了铜基材料的力学性能，又通过优化界面结合与晶体取向，最大限度保留了铜的高导电性，成功打破了传统铜基材料的性能权衡。其成果为高性能铜基复合材料的工业化制备提供了可行路径，有望满足下一代电子设备、电力传输等领域对材料的严苛需求，为多功能金属基复合材料的设计提供了重要参考。
文献信息
Zhongzheng Pei, Chenxuan Liu, Yujie Bai, Yalun Wang, Juncai Liang, Baishan Liu, Bo Jiang, Enabling Synergistic Mechanical Strength and High Electrical Conductivity in Cold-Rolled Graphene/Copper Laminate Composite via Trace Graphene and Controlled Orientation, Journal of Alloys and Compounds, 2025, 185101, ISSN 0925-8388
https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2025.185101.
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