为了解决大功率电气系统（例如牵引电机和新能源汽车中的高压线束）中的导体中由焦耳热效应引起的显著温升，开发具有高导热性、高导电性和足够强度的导体材料对于满足严格的温升控制要求至关重要。本文，中南大学龚深教授团队在《Composites part B》期刊发表题为“Reduction of current-induced temperature rise in copper wires via copper-carbon interface modification and graphene chain-like network construction”的论文，研究基于与Cr和Zr的协同界面改性策略，使用涉及真空热压、热挤压和冷拉的多步骤工艺成功制造了石墨烯纳米片（GNPs）/Cu-0.1Cr-0.1Zr（wt%）复合丝。
在复合线材中，沿轴向高度排列的GNPs链状网络均匀分布在以强<111>+弱<100>纤维织构为特征的细长晶粒中。同时，原位形成强结合的Cu/Cr3C2（ZrC）/GNPs异质界面。这种多尺度微观结构赋予复合线优异的性能组合。在0.4 vol%的GNPs含量下，金属丝实现了521 MPa的高抗拉强度，这归因于多机制协同强化。同时，由于沿轴向的弱电子散射，它保持了97.8%IACS的高电导率。其优异的热导率（426.8W m−1K−1）导致稳态温升显著降低（69.1◦C)在20A/mm2的电流密度下，与纯Cu相比(88.4◦C)。基于界面热阻模型和有效介质近似热导率模型的分析表明，界面修饰降低热阻和形成高效GNPs导热通道的协同效应是热导率增强的主要原因。这项研究为设计和制造具有低电流感应温升的高性能铜线提供了一种新策略。
图1 GNPs/CuCrZr复合丝的制备工艺及原材料的微观结构表征。(a)制造过程的示意图。（b）CuCrZr合金粉末的SEM图像和相应的EDS元素图。（c）原始GNPs的SEM图像，（d）拉曼光谱和（e）XRD图案。
这项工作基于与Cr和Zr的协同界面改性策略，使用涉及VHP、热挤压和冷拉的多步骤工艺成功制造了GNPs/CuCrZr复合丝。系统地研究了它们的力学性能、导热性、导电性和温升行为。结合微观结构表征和理论计算，深入分析了控制强化、电子散射和热传导行为的多尺度、多机制协同效应。以下是主要结论：
（1）0.4-GNPs/CuCrZr复合丝表现出高强度、高导热性和高电导率的突出协同作用。具体来说，它实现了426.8 W m−1 K−1（比纯Cu高9.5%）的热导率，521 MPa的抗拉强度（约为纯Cu的2.14倍），同时保持了高电导率（97.8% IACS）。在20A/mm2的电流密度下，其稳态温升（69.1◦C)明显低于纯Cu(88.4◦C），表明热管理应用的良好潜力。
（2）在高温下，Cr和Zr与GNPs反应原位形成Cr3C2和ZrC，建立牢固结合的Cu/Cr3C2（ZrC）/GNPs异质界面。在冷拉过程中，GNP 经历层间滑动并沿着AD 高度排列，形成用异质碳化物装饰的定向准连续链状网络。由于GNPs网络和碳化物的协同再结晶抑制作用，复合丝在退火后很大程度上保留了细长的晶粒结构，其特点是强<111>+弱<100>纤维织构和高位错密度
（3）强化机制分析表明，位错强化是0.4-GNPs/CuCrZr复合丝的主导机制，占41.4%。电子散射机制的分析表明，与纯Cu相比，来自晶界、位错和碳化物/GNPs复合相的散射略微降低了电导率。（4）基于界面的微观结构特征，建立了界面热阻模型，并对EMA导热系数模型进行了合理修正，阐明了导热机理。计算结果表明，Cu/Cr3C2（ZrC）/GNPs异质界面的构建有效地减轻了Cu/GNPs界面处的声子散射，从而降低了界面热阻。同时，轴向排列的GNPs的准连续链状网络形成高效的热传导途径。这两个因素之间的协同作用是复合丝导热性显著增强的主要原因。
文献：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2026.114017
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