石墨烯增强铜基复合材料研究现状

本文系统综述了石墨烯增强铜基复合材料的六大制备工艺，分析各方法优缺点，并针对石墨烯在铜基体中分散不均、易团聚、界面结合弱三大核心瓶颈，提出基体合金化、表面修饰与结构优化等有效策略，阐明力学与导电导热增强机理，为材料性能提升及后续工业化应用提供理论参考与技术支撑。

研究背景：传统铜基材料性能受限，石墨烯成为理想增强相但复合难度突出

铜及铜合金凭借优异的导电导热性能、良好的延展性与可塑性，长期在电子电气、能源装备、交通运输、精密仪器等领域发挥重要作用。随着现代工业不断向高功率、小型化、长寿命方向发展，传统铜材料逐渐暴露出明显短板：力学强度偏低、高温环境下易软化、硬度不足、耐磨耐蚀性能较差，难以满足高端装备对材料高强、高导、耐磨、耐蚀的综合要求。

为改善性能，研究人员曾尝试将过渡金属、碳纤维、碳纳米管等作为增强相，制备铜基复合材料。但这些方案均存在局限性：过渡金属会造成铜晶格畸变，加剧电子散射，导致导电导热性能大幅下降；碳纤维表面化学活性低，与铜基体界面结合薄弱，容易发生脱粘，力学增强效果有限；碳纳米管易团聚、分散困难，同样存在界面结合差、界面分离等问题。

2004年，石墨烯被成功剥离，其独特的二维蜂窝状晶格结构赋予了优异性能：理论抗拉强度高达125GPa，热导率可达5300W·m⁻¹·K⁻¹，成为突破铜基复合材料性能瓶颈的理想增强相。然而，石墨烯片层间范德华力强，极易团聚；同时其表面化学性质稳定，难以与铜形成稳定化学键合，界面多以物理结合为主、强度较低。分散不均、易团聚、界面结合弱，成为制约石墨烯增强铜基复合材料性能提升与工程应用的两大核心难题。

研究亮点：系统梳理主流制备工艺，提出分散与界面协同优化路径并阐明增强机理

文章全面梳理粉末冶金、原位生长、电化学沉积、分子水平混合、累积叠轧、激光选区熔化六大主流制备工艺，详细分析各工艺原理、优缺点、适用场景及典型性能数据，清晰呈现不同工艺的技术特点与应用边界。

图 1 传统粉末冶金法制备 Gr/Cu 复合材料工艺流程

粉末冶金法成熟度最高、成本适中、易规模化生产；传统球磨混合效率高，但易破坏石墨烯结构、削弱增强效果；新型超声结合高速搅拌的辅助分散方式，可减少石墨烯结构损伤，但仍难以完全避免石墨烯团聚与铜粉沉降问题。

图 2 纤维素凝胶作为碳源制备石墨烯碳/Cu( GLC/Cu) 复合材料路线示意图

原位生长法以甲烷、纳米纤维素凝胶等为碳源，在铜基体表面原位生成石墨烯，能实现石墨烯均匀分布与紧密界面结合，室温压缩屈服强度最高提升203%，但工艺复杂、条件苛刻、成本较高，难以实现规模化量产。

图 3 电化学沉积法制备 IL-Gr/Cu 复合箔示意图

电化学沉积法在低温下进行、能耗较小，可精准调控石墨烯含量，制备的复合箔抗拉强度最高达471.5MPa，但仅适用于薄箔材料、生产效率偏低，无法制备块状复合材料。

图 4 分子水平混合法制备 Gr/Cu 复合材料示意图

分子水平混合法可实现石墨烯在铜基体中的纳米级均匀分散，复合材料摩擦系数最低降至0.13，但制备步骤繁琐、周期较长、成本偏高。

图 5 累积叠轧法制备 Gr/Cu 复合材料工艺流程

累积叠轧法通过反复轧制促使材料塑性变形，细化晶粒、促进石墨烯分散，复合材料抗拉强度最高可达686MPa，但多次轧制易导致材料加工硬化、塑性下降。

图 6 激光选区熔化法制备 GNPs/CuCrZr 复合材料流程图

激光选区熔化法可成形复杂结构，抑制石墨烯与铜的过度反应，但设备昂贵、能耗高、工艺参数敏感，易产生气孔、裂纹等缺陷。

针对石墨烯分散不均、界面结合弱两大核心瓶颈，文章深入阐述三类关键优化策略：基体合金化、石墨烯表面修饰、三维结构优化。基体合金化通过添加Ti、Cr、W等活性元素，在界面生成TiC、Cr₃C₂等碳化物过渡层，显著提升界面结合强度与载荷传递能力；含3.0%纳米Ti的复合材料硬度提升128.2%，含0.5%原子数分数Cr的复合材料电导率达97.05%IACS。

石墨烯表面修饰通过引入Ni、Al₂O₃、WₓCᵧ等物质，改善石墨烯与铜的润湿性、降低界面电阻；Ni修饰复合材料抗弯强度提升130.5%，WₓCᵧ修饰复合材料屈服强度提升212.09%。三维结构优化采用三维石墨烯网络、石墨烯量子点修饰石墨烯，有效抑制石墨烯团聚、强化界面结合；三维石墨烯复合材料动态强度和延展性优于纯铜，石墨烯量子点修饰复合材料摩擦系数低于0.3、磨损率仅为纯铜的1/4。

同时，文章系统阐明载荷传递、细晶强化、热失配强化、Orowan强化四大力学增强机制，以及石墨烯构建连续导电导热网络、降低界面散射的功能强化机理，为后续材料设计与性能优化提供了扎实的理论支撑。

研究总结：应用前景广阔但挑战仍存，未来需聚焦工艺简化、界面稳定与性能协同优化

石墨烯增强铜基复合材料同时继承了石墨烯高强高导的特性与铜良好的加工性能，在电接触材料、耐磨构件、耐腐蚀部件、电子封装、柔性应变传感器等领域展现出广阔应用前景：电接触材料使用寿命可达纯铜的3倍以上，耐磨材料磨损率较纯铜降低 68.6%，电子封装材料可高效散热、降低热膨胀系数，柔性应变传感器可检测0.2%微小应变、量程达110%。

当前，石墨烯增强铜基复合材料研究虽取得明显进展，但仍面临多重现实挑战：多数制备工艺成本偏高、规模化生产难度较大；石墨烯与铜的界面长期稳定性不足，在高温及复杂服役环境下易发生劣化；高强性能与高导性能协同优化困难，难以同时兼顾高强度与高电导率。

未来，相关研究应重点关注四个方向：

• 一是开发简易、高效、低成本的制备工艺，推动材料工业化量产；
• 二是深入揭示界面微观作用机制，提升界面稳定性与服役可靠性；
• 三是突破高强高导协同优化关键技术，满足高频电路、精密仪器等高端领域需求；
• 四是拓展材料在人工智能、量子计算、新能源汽车等新兴领域的应用，推动技术成果产品化落地。

本文系统梳理研究进展、关键瓶颈与优化路径，为后续科研工作提供全面参考，助力石墨烯增强铜基复合材料突破技术壁垒、释放实际应用价值。

文章信息

Title: Research Status of Graphene Reinforced Copper Matrix Composites

文章编号: 1674-3962(2026)04-0292-14

DOI: 10.7502/j.issn.1674-3962.202503004