近日，昆明理工大学陶静梅团队与陈小丰团队合作，通过醋酸铜辅助化学气相沉积（CVD）结合粉末冶金的方法，解决了传统工艺中石墨烯 – 铜复合材料石墨烯分散不均、界面结合弱、导热各向异性显著及热导率增强效率低的问题，成功在铜粉上原位生长高质量多层石墨烯并制备高性能复合材料。相关成果以“Copper acetate-assisted CVD coupled with powder metallurgy for high-quality multilayer graphene-copper composites with enhanced isotropic thermal conductivity”为题发表于《Carbon》期刊。
背景介绍
随着电子设备向小型化、高功率化发展，高效热管理成为先进电子和能源加工行业的关键挑战，亟需兼具优异热导率和结构完整性的复合材料。石墨烯因面内热导率可达 4840-5300 Wm⁻¹K⁻¹，是铜基复合材料的理想增强相，但此前相关研究存在诸多瓶颈：石墨烯与铜密度差异大、界面润湿性差（接触角约 140°）导致分散不均，铜催化石墨烯生长的自限性难以获得超过 15 层的高质量多层石墨烯，高温下铜粉易烧结团聚，使得复合材料热导率增强效率大多低于 20%，部分甚至低于纯铜（~402 Wm⁻¹K⁻¹），且导热各向异性显著，严重限制了实际应用。
文章亮点
为突破上述瓶颈，研究团队开发了醋酸铜辅助 CVD 技术，将醋酸铜与铜粉按最优质量比 0.75:10 混合，在 1020℃下通过气 – 固双碳源（醋酸铜提供固体碳源，甲烷为气体碳源）实现高质量多层石墨烯（HQMG，超过 15 层）的原位生长。
醋酸铜的分步分解不仅产生无定形碳屏障抑制了铜粉烧结，其衍生的瞬时铜蒸气还能催化碳前驱体活化与缺陷修复，有效克服了石墨烯生长的自限性。最终制备的复合材料表现出优异性能：面内热导率达～498 Wm⁻¹K⁻¹，面外热导率达～466 Wm⁻¹K⁻¹，分别比纯铜提升 23.7% 和 15.8%，导热各向异性比为 0.94，接近完全各向同性；热导率增强效率达～28%/ 石墨烯体积分数，是目前石墨烯 – 铜复合材料中的高水平；同时保持了～96.5% IACS 的高电导率。界面表征显示，原位生长使石墨烯与铜形成牢固结合，火花等离子体烧结（SPS）过程中实现了多层石墨烯的有效焊接，形成连续导热通道，界面热阻约为 2.8×10⁻⁹ m²K/W，与理论计算值高度吻合。
图文解析
图 1 （a）所用原始大颗粒铜粉的扫描电子显微镜（SEM）及宏观形貌照片（左下角插图）；（b）所用乙酸铜 [Cu (OAc)₂] 的实物照片；（c）乙酸铜与大颗粒铜粉的均匀混合物实物照片；（d）乙酸铜辅助常压化学气相沉积（CVD）法制备 HQMG – 铜复合粉末的示意图；（e）化学气相沉积法合成的 HQMG – 铜复合粉末的实物照片及结构模型；（f）经放电等离子体烧结（SPS）制备的直径约 20 mm 的 HQMG – 铜复合块体材料。
图 5 乙酸铜辅助化学气相沉积（CVD）法在铜粉表面合成高品质多层石墨烯（HQMG）的生长机理示意图：（a）乙酸铜颗粒吸附于铜粉表面的示意图；（b）通入甲烷前，乙酸铜分解并在铜粉表面生成吸附态碳的示意图；（c）乙酸铜辅助下多层石墨烯的成核过程示意图；（d）化学气相沉积过程中多层石墨烯晶核的生长与团聚过程示意图；（e）铜粉被高品质多层石墨烯完全包覆的示意图；（f）高品质多层石墨烯成核的扫描电子显微镜（SEM）观测图；（g）高品质多层石墨烯畴区的拉曼光谱图；（h）高品质多层石墨烯畴区边缘的高分辨透射电子显微镜（TEM）照片
图 7 （a）本研究制备的石墨烯 – 铜复合材料（红色）与已有石墨烯（或石墨）- 铜复合材料相关研究的面内、面外热导率对比图；（b）本研究中面内热导率提升效率随石墨烯含量的变化关系，及与其他代表性报道的对比图。
图 11 乙酸铜辅助化学气相沉积（CVD）结合放电等离子体烧结（SPS）法制备的石墨烯 – 铜复合材料，其结构特征与热导率的关联图。
总结展望
该方法兼容标准粉末冶金工艺，具备规模化生产潜力，所制备的高性能石墨烯 – 铜复合材料可广泛应用于紧凑换热器、反应堆内件及电子封装等热管理部件。这项研究不仅突破了传统工艺的技术瓶颈，还建立了一套高效的复合材料制备框架，为电子、能源等领域的热管理技术升级提供了重要支撑。
文献信息
Guoqing Li, Jingmei Tao, Xiaofeng Chen, Yichun Liu, Caiju Li, Jianhong Yi, Copper acetate-assisted CVD coupled with powder metallurgy for high-quality multilayer graphene-copper composites with enhanced isotropic thermal conductivity, Carbon, 2025, 121176, ISSN 0008-6223
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.121176.
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