陈全芳、王文丹、罗友明等：破解石墨烯铜复材导电瓶颈

近日，《Composites Science and Technology》发表题为“Balancing graphene integrity and interfacial coupling for ultrahigh electrical conductivity in graphene/copper composites” 的论文。

作者：Yaling Huang，Youming Luo，Yucan Lei，Wendan Wang，Quanfang Chen。

链接：10.1016/j.compscitech.2026.111753

摘要

石墨烯增强铜（Gr/Cu）复合材料是下一代电工与热管理领域极具应用前景的候选材料。但该材料性能往往受限于石墨烯团聚、制备过程中的结构损伤以及界面结合力薄弱等问题。本文提出一种协同制备策略：对石墨烯进行化学镀铜处理，结合改良湿法球磨工艺，再经高温高压（HTHP）烧结，同步实现石墨烯均匀分散、石墨烯本征结构保护以及界面耦合强化。

最终制得的复合材料电导率高达130%IACS（75.4 MS/m），相比纯铜提升约30%。微观组织分析表明：结构完好的石墨烯优先分布于铜晶界处，形成半共格界面Gr (0002)//Cu (00(bar{2}))，同时大量低电阻率Σ3孪晶界共同促进电子高效输运，抑制界面电子散射。

第一性原理计算进一步表明：适度的石墨烯缺陷密度可通过C‑2p与Cu‑3d轨道杂化优化界面电荷转移；但缺陷过多会引发强烈的电子局域化效应与电子散射，造成电导率下降。 本研究明确建立了组织结构‑制备工艺‑材料性能之间的关联，为制备具备优异电学性能、可规模化推广的石墨烯 / 金属复合材料提供普适技术路径。

研究背景

铜（Cu）因其本征高电导率（∼5.8 × 10⁷ S m⁻¹）、优异的热导率（∼40 W m⁻¹ K⁻¹）以及良好的塑性，长期以来都是电工与热管理领域的首选材料。但随着现代电子器件不断小型化、功率密度持续提升，纯铜的性能已难以满足先进技术的严苛要求。在高电流密度条件下，铜互连线会发生严重电迁移与表面扩散，进而造成微电子电路性能衰退乃至失效。在高温或热循环环境中，铜容易发生软化与氧化，热稳定性下降，接触电阻增大。此外，铜密度较大，限制了其在轻量化、柔性电子器件中的应用；同时铜与其他基底之间热膨胀系数不匹配，往往会引发界面脱层或开裂问题。上述固有缺陷制约了铜基材料导电性能的进一步提升。

为突破这些局限，向铜基体中引入增强相，被公认为兼顾电导率与结构稳定性的有效手段。在众多备选增强相中，石墨烯凭借其出众的本征性能脱颖而出，具备极高载流子迁移率（∼2 × 10⁵ cm² V⁻¹ s⁻¹）以及优异热导率（最高可达5300 W m⁻¹ K⁻¹)。将石墨烯引入铜基体，有望同时提升电学性能、抑制电迁移并改善热稳定性。同时，石墨烯的二维结构可构建连续导电通路，还能有效钉扎晶界，进一步优化复合材料整体的电子输运行为。因此，石墨烯增强铜复合材料作为下一代高性能电工、电子及热管理系统的候选材料，受到学界广泛关注。

然而，制备石墨烯增强铜复合材料仍面临诸多难题。例如，伊达尔戈‑曼里克等人研究指出，采用传统粉末冶金工艺制备铜基复合材料时，石墨烯比表面积大，且存在较强范德华力，会在混粉或烧结过程中发生团聚、片层重新堆叠。这种分布不均会造成局部应力集中，破坏导电网络，降低材料的电输运与热输运性能。此外，巴布尔等人发现，采用热化学工艺结合冷等静压工艺时，石墨烯与铜之间润湿性差、界面结合薄弱，会制约界面处有效的载荷传递与电子输运，带来界面电阻升高、电子散射加剧等问题。阿帕娜・阿格拉瓦尔还提到，干球磨等传统机械加工方式极易对石墨烯造成严重结构损伤，产生缺陷、发生片层剥离，使石墨烯丧失本征优异性能。由此可见，实现石墨烯均匀分散、同时保留其结构完整性，并构建强界面结合，是石墨烯/铜复合材料领域亟待解决的关键科学与技术难题。

针对上述问题，目前已经发展出多种方法改善石墨烯分散效果、强化石墨烯‑铜界面结合。例如，在铜基底上原位生长石墨烯能够实现石墨烯均匀分布，但界面相互作用偏弱，电学与力学性能提升有限。分子级分散策略虽可以强化界面结合，却常会引入含氧残留基团与结构缺陷，造成电导率下降 。化学气相沉积（CVD）虽可制备厚度、分布可控的高质量石墨烯，但该工艺成本高、流程复杂，难以实现规模化制备。

本文提出一种改良型湿法球磨工艺，在实现石墨烯均匀分散的同时保护其结构完整性。以无水乙醇作为球磨介质，能够减弱机械冲击作用、抑制氧化反应，最大限度降低对石墨烯的结构破坏。另外，在球磨前对石墨烯进行纳米铜颗粒表面包覆处理，既改善石墨烯分散性，又构建金属中间层，促进界面结合。后续再通过高温高压烧结完成复合材料致密化，最终得到致密石墨烯 / 铜复合材料，电导率可达130% IACS（75.4 MS/m），较纯铜提升30%。所得复合材料中石墨烯结构保存完好、分布均匀，界面耦合作用得到强化。该成套工艺为制备具备优异导电性能的高性能石墨烯 / 铜复合材料，提供了一套实用且可规模化的技术方案。

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结语

本研究开发了石墨烯镀铜结合改良湿法球磨、高温高压烧结的协同制备工艺，解决石墨烯‑铜复合材料易团聚、结构受损、界面结合弱等难题。该工艺可实现石墨烯均匀分散并保护其本征结构，强化界面耦合。制备得到的复合材料电导率达130%IACS（75.4 MS/m），较纯铜提升约30%。研究发现，完好的石墨烯分布于铜晶界形成半共格界面，配合高密度Σ3孪晶界，可抑制电子散射。第一性原理计算证实，适度缺陷利于界面电荷转移，缺陷过多则会恶化导电性能。该工作厘清了工艺‑组织‑性能的内在联系，为规模化制备高导电石墨烯/金属复合材料提供可行技术路径。