近日，东南大学帅立国团队与亥姆霍兹赫伦研究中心Yue Zhang团队、南京工程学院巨佳团队、河海大学刘欢团队合作，通过球磨、压力辅助烧结结合等通道转角挤压（ECAP）工艺，解决了石墨烯 – 铜复合材料中石墨烯分散不均、界面结合弱及传统铜材强度低的核心问题，优化了材料综合性能。相关成果以“Microstructure Evolution and Mechanical/Electrical Property Enhancement of Graphene-Copper Composites via Equal Channel Angular Pressing Processing”为题发表于《Journal of Materials Research and Technology》期刊。
背景介绍
纯铜凭借优异的导电和导热性能在现代工业中应用广泛，但低强度和差耐磨性的固有缺陷，已难以满足高端领域的发展需求。
石墨烯作为兼具超高强度和高导电性的二维材料，成为增强铜基复合材料的理想选择，然而石墨烯在铜基体中分散不均、界面结合薄弱的问题，一直制约着复合材料性能的提升，成为该领域的研究瓶颈。
文章亮点
这项研究的核心亮点集中在工艺优化与性能突破的双重成果。
工艺上，研究采用高纯度铜粉与单层石墨烯粉为原料，经球磨、压力辅助烧结后，通过 ECAP 工艺进行处理 ——ECAP 模具内部通道角 90°、外部曲率角 20°，在 380℃下对样品进行四次挤压（每次挤压后旋转 90°），有效发挥了其剧烈塑性变形的特性。性能上，当石墨烯含量为 0.4wt.% 时，复合材料表现出最优综合性能：屈服强度达到 245.3MPa，微硬度为 105.3HV， 电导率高达 98.48% IACS，同时材料密度提升至 93.56%，孔隙率显著降低。
ECAP 工艺的关键作用在于，不仅将铜基体晶粒尺寸从原始的约 10μm 细化至 5-7μm，还改善了石墨烯的分散均匀性，增强了石墨烯与铜基体的界面结合强度。值得注意的是，石墨烯含量存在临界值，当含量达到 0.8wt.% 时，会出现严重团聚和分层现象，导致晶粒粗化、力学性能恶化，这一发现为复合材料的成分优化提供了重要依据。
图1 等通道转角挤压（ECAP）加工示意图
总结展望
该研究通过系统探究 ECAP 工艺与石墨烯含量对复合材料微观结构和性能的影响，明确了晶粒细化、位错强化、奥罗万强化及载荷传递强化的协同作用机制。ECAP 工艺成功破解了石墨烯 – 铜复合材料的核心技术瓶颈，0.4wt.% 的石墨烯添加量为最优配比，实现了高强度与高导电性的平衡。
这项成果为高性能石墨烯 – 铜复合材料的开发提供了坚实的理论支撑和技术指导，未来通过进一步优化石墨烯分散技术及复合工艺，有望推动该材料在更多高端工业场景中实现应用。
文献信息
Jia Ju, Kaixin Dou, Rui Guo, Xiaopeng Xia, Jinlong Shan, Liguo Shuai, Chen Yan, Huan Liu, Yue Zhang, Microstructure Evolution and Mechanical/Electrical Property Enhancement of Graphene-Copper Composites via Equal Channel Angular Pressing Processing, Journal of Materials Research and Technology, 2025, ISSN 2238-7854
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2025.11.211.
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