南京航空航天大学王敏团队：高热稳定性石墨烯包覆细晶铜复合材料的研制

摘要

金属铜较差的热稳定性导致其应用受限。本研究采用化学气相沉积法（CVD）在晶粒直径约为1 μm的细晶铜表面生长石墨烯，成功制备了石墨烯包覆细晶铜复合材料。研究结果显示：细晶纯铜的晶粒尺寸随着烧结温度升高而增大，由600 ℃时的2.03 μm增加至1000 ℃时的18.2 μm，且硬度由600 ℃时的91.56HV降至1000 ℃时的27.64HV； 在不同烧结温度下，石墨烯包覆细晶铜复合材料的晶粒尺寸稳定在1.25~1.35 μm，硬度保持在83.96~100.63HV。该结果表明，石墨烯包覆的细晶铜复合材料展现出比细晶纯铜更优异的热稳定性，这是因为铜颗粒表面石墨烯的包覆有效抑制了铜原子的扩散。此外，对石墨烯包覆细晶铜复合材料拉拔得到的复合导线进行了性能测试，结果表明：与细晶纯铜相比，其硬度提升了53.9%，抗拉强度增加了12%，延伸率提高了29.8%，而电阻率降低了6.8%。该研究为高热稳定性铜基复合材料的研制提供了新的思路。

研究背景

数百年来，金属铜因其相对低廉的成本，以及卓越的导电性、导热性、耐腐蚀性，一直是高性能导电材料的首选之一。但单质铜机械强度较低，且在高温下容易软化，限制了其应用范围。因此，开发更先进的铜材料显得尤为重要。根据Hall-Petch理论，在一定晶粒尺寸范围内，金属材料的屈服强度与晶粒尺寸的负二分之一幂呈正相关。基于这一理论，细晶材料受到越来越多的关注。与传统粗晶材料相比，细晶材料包含大量晶界。晶界的存在增强了材料的力学性能，却使材料处于亚稳态，从而导致材料内部积累了额外的吉布斯自由能。这种能量的不稳定性使其倾向于向平衡态过渡，致使细晶材料在高温甚至室温下容易发生晶粒长大现象，给细晶材料的实际应用带来了不容忽视的风险。因此，提升细晶材料的热稳定性成为新型细晶材料开发的关键。

目前，提高细晶金属材料热稳定性的方法主要分为两类：一类是引入纳米尺度的低能界面来降低系统能量，从而增强细晶材料的稳定性。然而，在纯金属中，难以使每个晶界都生成低能状态的三维纳米晶粒，现有研究主要集中于理论分析或计算机模拟，实验研究相对较少。另一类方法是添加合金元素或第二相。这种方法能够有效地钉扎晶界或相界，减缓界面迁移速率，从而提高微观结构的稳定性，但添加成分在超过稳定温度时，可能会生成竞争性第二相（例如固溶体或有序金属间化合物），从而促进晶界偏析并导致晶粒生长。

石墨烯由sp²杂化的碳原子组成，呈单层二维蜂窝结构，具有极高的比表面积和出色的机械性能。其抗拉强度可达130 GPa，弹性模量达1 TPa，且能够承受高达25%的断裂应变。石墨烯的导热率为5300 W/（m·K），比铜高出约10倍。当石墨烯与金属基体复合时，石墨烯可充当“隔离层”，阻止细晶铜之间直接接触，并抑制铜原子扩散，从而提高复合材料的热稳定性。本研究通过化学气相沉积法（CVD）将石墨烯与细晶铜复合，成功制备了石墨烯包覆细晶铜复合材料。这一方法不仅充分发挥了石墨烯的卓越导热性和力学性能，也为铜基复合材料的创新发展开辟了新的研究思路。

图文速览

图1 石墨烯包覆细晶铜复合材料的制备流程图

结论

本研究利用化学气相沉积法（CVD）成功制备了石墨烯包覆的细晶铜，并结合压片和真空烧结工艺，开发了具有优异热稳定性的石墨烯包覆细晶铜复合材料。研究结果表明，复合材料的热稳定性显著提高，其主要机制在于多层石墨烯包覆层有效抑制了铜原子的扩散，显著减缓了高温下晶粒的粗化过程。在600~1000 ℃的烧结温度区间内，石墨烯包覆细晶铜表现出卓越的结构稳定性，其平均晶粒尺寸保持在1.25~1.35 μm，而未包覆石墨烯的纯铜晶粒尺寸则大幅增长至18.2 μm。复合材料的维氏硬度维持在83.96~100.63HV之间，而细晶纯铜硬度则从91.56HV下降至27.64HV，表明热稳定性显著提升。进一步通过拉拔工艺制备了石墨烯包覆细晶铜复合导线，测试发现其力学和电学性能都得到全面增强，硬度、抗拉强度和延伸率分别比细晶纯铜导线提高了53.9%，12%和29.8%，电阻率则降低了6.8%。

引用格式：

①陶慧龙，白金，环瑀淳，王敏. 高热稳定性石墨烯包覆细晶铜复合材料的研制［J］. 铜业工程，2026（2）：55-65.

②TAO Huilong，BAI Jin，HUAN Yuchun，WANG Min. Fabrication of thermally stable graphene-encapsulated fine-grained copper composites［J］. Copper Engineering，2026（2）：55-65.

doi:10.3969/j.issn.1009-3842.2026.02.006