在核聚变反应堆及高端通讯器件中，铜（Cu）基材料因其优异的导热导电性被视为关键候选材料。然而，在强辐射环境下，材料内部会产生大量缺陷（如空位和间隙原子），导致性能退化。传统的解决思路是引入界面作为“缺陷汇”来吸收这些辐射缺陷，例如通过构建高密度的失配位错网络。但在传统的金属异质界面中，位错的密度和核心宽度受限于晶格失配和强金属键合，难以独立调控，限制了抗辐照性能的进一步提升。
基于上述背景，上海交通大学范同祥、刘悦、龚鸣宇研究团队，另辟蹊径，引入具有弱范德华（vdW）键合特性的石墨烯。这种弱结合特性使得界面结构具有极高的可调性，理论上允许独立调控界面位错的密度和核心宽度，从而为开发具有超强辐射耐受能力的新型复合材料提供了可能。
本研究利用分子动力学（MD）和静态模拟，构建了一系列具有不同石墨烯旋转角度（0-30°）和层数（1-8层）的Cu/Gr模型，系统地研究了这两个参数对界面结构和抗辐照性能的影响。研究团队重点分析了“摩尔纹”图案（Moiré pattern）的演变，以及由此产生的范德华位错（vdW dislocations）的特性变化。研究内容涵盖了点缺陷（空位和间隙原子）在不同界面结构下的形成能和迁移能计算，并通过级联碰撞模拟（Cascade collision simulations）直接评估了材料在辐照后的缺陷残留情况，从而量化了不同界面结构对辐射缺陷的吸收和湮灭能力。
图1：Cu/Gr界面Cu/Gr界面的结构与范德华位错网络。
研究发现，石墨烯的旋转角度和层数对铜基体的抗辐照性能有显著影响，且存在关键的“临界值”。增加石墨烯的旋转角度，会线性增加界面位错的密度，当角度达到 15° 时，缺陷数量显著减少（间隙原子减少约26.6%）。
图2：不同石墨烯旋转角度下铜/石墨烯界面的演变。
而增加石墨烯的层数，则会削弱界面结合能，导致位错核心宽度显著增加，当层数达到 4层 时，抗辐照效果达到饱和，此时缺陷减少幅度远超单纯增加密度（间隙原子减少约44.2%）。结果表明，扩大位错核心宽度比增加位错密度更能有效提升材料的抗辐照能力。
图3：不同石墨烯厚度下铜/石墨烯界面的变化。
图4：铜/石墨烯复合材料抗辐照性能与界面的关联。
展望未来，这项工作提出的“旋转角度/层数”双参数调控策略，不仅为设计超强抗辐照Cu/Gr复合材料提供了明确指导，其设计理念也可推广至其他金属/二维材料体系（如Al/h-BN等），具有广阔的材料工程应用前景。
相关成果“Interfacial dislocation engineering in copper-graphene composites: Atomic insights into enhanced radiation resistance”发表在《Journal of Nuclear Materials》期刊。本研究受到国家自然科学基金项目、高功率微波实验室科技基础项目的资助。
论文链接：10.1016/j.jnucmat.2025.156423
本文来自先进铜基材料，本文观点不代表石墨烯网立场，转载请联系原作者。
