中南大学龚深团队：成功制备出高导热Cu/石墨烯纳米片复合材料！

近期，中南大学龚深教授团队基于数据驱动设计双界面改性元素的策略，采用湍流冲击均质铸造成功制备了高导热Cu-Cr-Zr/石墨烯纳米片(GNS)复合材料。该工作以“In-situ construction of metal-covalent heterojunction in high thermal conductivity Cu/graphene nanosheets composites via turbulence-shock homogeneous casting”为题在材料、工程等领域的国际著名学术期刊《Compos. Commun.》发表。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.coco.2026.102895

重点：

• 通过湍流冲击均质铸造工艺制备了铜/石墨烯纳米片复合材料。
• 原位构建的Cu/ZrC/Cr₃C₂/C金属-共价异质结抑制了界面热阻。
• 建立了EMA模型以阐明热导率的增强机制及其影响因素。
• Cu/20GNS复合材料的热导率达到635.85 W·K⁻¹·m⁻¹，具有广阔的应用前景。

简介：

随着高功率和高度集成芯片技术的快速发展，对热管理材料提出了日益严苛的要求。Cu/石墨烯纳米片复合材料的热导率受到Cu与石墨烯纳米片之间界面润湿性不足的严重限制。为解决这一问题，采用湍流冲击均质铸造技术制备了一系列Cu-0.5Cr-0.5Zr（wt.%）/石墨烯纳米片复合材料。当石墨烯纳米片含量达到20 vol%时，复合材料实现了平均热导率 635.85 W·m⁻¹·K⁻¹。实验结果表明，通过原位异质反应，石墨烯纳米片表面依次形成了厚度约为150 nm的Cr₃C₂层和厚度约为30 nm的ZrC层。基于多重散射理论的有效介质近似模型(EMA)揭示，所形成的Cu/ZrC Cr₃C₂/C金属-共价异质结结构能够显著降低界面热阻。此外，模型预测表明，采用具有更高本征热导率的石墨烯填料，有望进一步提升复合材料的热传导性能。本研究为制备具有超高热导率的Cu/石墨烯纳米片复合材料，并应用于先进热管理领域提供了一种有效策略。

图文导读：

图1、基于数据驱动的界面改性元素X筛选流程。(a)元素X与C之间的形成能的统计分布；(b–c)元素X在Cu基体中的固溶度统计分布；(d)固溶0.02 wt%元素X对Cu电导率的影响；(e)元素X含量与界面反应温度的关联曲线。

图2、Cu-0.5Cr-0.5Zr/20GNS复合材料的制备工艺示意图。

图3、Cu/GNS复合材料的性能表征。(a, b) 复合材料沿水平方向和垂直方向的热扩散率及热导率；(c, d) Cu/GNS复合材料在加热和冷却过程中的温度-时间曲线；(e)纯Cu和Cu/20GNS复合材料在加热和冷却过程中的红外热成像图；(f) Cu/20GNS复合材料的弯曲应力-应变曲线；(g,h) Cu/20GNS复合材料的断口形貌与抗弯强度；(i,j) 本研究Cu/GNS复合材料与文献报道的Cu/CFs、Cu/DP和Cu/GF复合材料性能对比。

图4、Cu/GNS复合材料的微观结构。(a) Cu/20GNS复合材料的三维CT重构图像；(b, c) Cu/20GNS复合材料沿水平方向和垂直方向的SEM表面形貌；(d) Cu/20GNS复合材料内部孔隙尺寸分布直方图；(e) 四种复合材料的相对密度；(f, g) Cu/20GNS复合材料水平方向局部区域的SEM图像；(h)图(g)所示区域表面的元素分布图。

图5、GNS及其表面碳化物界面结构表征。(a–e) 不同放大倍数下原始GNS的SEM形貌；(f–g) 硝酸刻蚀后Cu/20GNS复合材料表面的SEM形貌及对应元素面分布图；(h–j)刻蚀后表面覆盖碳化物的GNS放大SEM形貌；(k–l)从Cu/20GNS复合材料中提取的GNS粉末形貌及对应元素面分布图；(m–o)提取后GNS及其表面碳化物的高倍SEM形貌。

图6、Cu/20GNS复合材料中提取GNS的结构与化学组成表征。(a, b) 从Cu/20GNS复合材料中提取的GNS粉末的拉曼光谱和XRD图谱；(c)原始GNS与从Cu/20GNS复合材料中提取GNS的全谱XPS谱图；原始GNS的XPS谱图：(d) C 1s谱；(e) O 1s谱；从Cu/20GNS复合材料中提取GNS的XPS谱图：(f) C 1s谱；(g) Cr 2p谱；(h) Zr 3d谱。

图7、(a) Cu/GNS界面的TEM明场像；(b)图(a)中标示区域的元素线扫描曲线；(c)图(a)所示Cu/GNS界面的元素分布图；(d1–g2)区域d、e、f和g的高分辨TEM（HRTEM）图像及对应快速傅里叶变换（FFT）图谱。

图8、界面取向关系分析。(a) Cu/20GNS界面放大TEM明场图像；(b, f, j) 界面A、B和C处的HRTEM图像；(e, i, m) 界面A、B和C处对应的FFT图谱；(c, d) 界面A处ZrC与Cu的IFFT分析；(g, h) 界面B处Cr₃C₂与ZrC的IFFT分析；(k, l) 界面C处GNS与Cr₃C₂的IFFT分析。

图9、Cu/GNS复合材料热导率模型分析。(a) 有效介质近似（EMA）模型示意图；(b)串联模型和并联模型计算结果；(c) EMA模型计算结果与实验结果的对比。

图10、影响复合材料热导率因素的分析。(a)四种影响因素的敏感性分析；(b, c) 复合材料热导率分别随GNS本征热导率和Cu基体本征热导率的变化关系；(d)复合材料界面热导率与典型界面结构的对比；(e)复合材料热导率随碳化物中间层厚度的变化关系；(f)不同碳化物中间层的界面热导率随中间层厚度的变化关系；(g)基于EMA模型预测的不同碳化物中间层的临界最大厚度。

结论：

本研究通过数据驱动筛选方法确定Cr和Zr作为界面改性元素，并采用湍流冲击均质铸造技术制备Cu/GNS复合材料，实现了GNS沿晶界均匀分布并构筑金属–共价异质界面结构。Cu/20GNS复合材料表现出优异的综合性能，其水平方向和垂直方向热导率分别达到 627.4 W·m⁻¹·K⁻¹和 644.3 W·m⁻¹·K⁻¹，相比纯Cu分别提升了60.87%和65.21%。此外，Cu/20GNS复合材料具有 211 MPa的弯曲强度，展现出优异的力学性能。

在Cu/20GNS复合材料中观察到Cu/ZrC/Cr₃C₂/C金属–共价异质结结构，其中ZrC和Cr₃C₂界面层厚度分别为35.13 nm 和 151.76 nm。该金属–共价异质结内部界面连续且无明显缺陷，保持了稳定的界面原子结合。界面两侧晶体结构之间形成了以下取向关系：(11)_Cu∥(11)_ZrC, (110)_Cr3C2∥(1)_ZrC, (111)_Cr3C2∥(0002)_graphite。该取向匹配关系有效降低了界面晶格失配，并促进了强界面结合的形成。

DMM–EMA模型能够准确拟合复合材料的实验热导率。在该理论框架下，复合材料热导率主要受基体和GNS本征热导率、界面结构以及GNS体积分数的共同影响。计算结果表明，Cu/20GNS复合材料的总界面热阻（ITR）为 1.602×10⁻⁸ m²·K·W⁻¹，显著低于Cu/GNS和Cu/air/GNS两种界面构型。