导语
低地球轨道中高能原子氧是导致航天器铜导线性能退化的关键环境因素之一。传统空间导线多依赖银镀层、镍镀层或有机涂层进行被动防护，但存在界面缺陷、热循环损伤、长期暴露后防护失效等问题。石墨烯具有优异化学惰性、完美 sp² 结构和二维扩散屏障潜力，但石墨烯/铜界面演化、石墨烯自身抗原子氧能力及长期暴露下性能稳定性尚不明确。
针对这一问题，上海交通大学熊定邦团队制备了低含量与高含量石墨烯/铜复合线材，并在模拟原子氧环境中系统研究其侵蚀行为与微观机制。研究采用5 eV、通量约1.0×10¹⁶ atoms/(cm²·s)的原子氧，分别暴露15 h 和30 h，结果表明：低含量石墨烯/铜线形成连续厚氧化层，发生氧化-应力-开裂-剥落-再氧化循环，强度下降约2%，导电率下降约1.6% IACS；高含量石墨烯/铜线氧化仅限于浅表层，呈“扩散—形核—受限生长”特征，30 h后强度保持 >99%，导电率变化在测量误差内。该研究为长寿命航天器电力传输导线提供了新策略。
文章亮点速览
亮点一｜高含量石墨烯/铜线在模拟原子氧环境 30 h 后性能几乎不退化
- 工作内容：
采用地面模拟原子氧设施，原子氧能量约5 eV，平均通量1.0×10¹⁶ atoms/(cm²·s)，分别进行15 h和30 h暴露，对应累计通量5.4×10²⁰ atoms/cm²和1.08×10²¹ atoms/cm²。结合SEM-EDS、FIB-TEM、HRTEM、STEM-EDS及拉伸、四探针电导测试，系统表征低含量与高含量石墨烯/铜线在原子氧侵蚀前后的表面、界面和性能变化。
- 研究价值：
证明高含量石墨烯/铜线在长期原子氧暴露下仍能保持高强度与高导电，为低地球轨道长寿命航天器、卫星和空间太阳能电站电力传输导线提供了候选材料。
亮点二｜揭示“扩散—形核—受限生长”抗氧化机制
- 工作内容：
低含量石墨烯/铜线中石墨烯不足以形成有效屏障，原子氧持续扩散并形成连续厚氧化层，CuO/Cu₂O体积膨胀产生压应力，导致氧化层开裂、剥落并再氧化。高含量石墨烯/铜线中，石墨烯纳米颗粒沿拉拔方向呈链状分布，间距约数十纳米，可钉扎晶界、阻断原子氧快速扩散通道，将氧化反应分割并限制在纳米尺度区域。分子动力学模拟定性表明，石墨烯覆盖区域可显著减少氧原子在铜表面的沉积。
- 研究价值：
提出不同于传统“物理覆盖式涂层”的主动多尺度防护机制，为石墨烯增强金属基复合材料的空间环境服役设计提供理论依据。
亮点三｜高含量石墨烯/铜线兼顾高强度、高导电与抗原子氧侵蚀
- 工作内容：
低含量石墨烯/铜线初始拉伸强度245 MPa、导电率109% IACS；30 h原子氧暴露后为240 MPa、107.3% IACS。高含量石墨烯/铜线初始拉伸强度709 MPa、导电率92.2% IACS；30 h后为703 MPa、91.5% IACS。性能变化均在测试误差范围内，高含量线强度保持 >99%。
- 研究价值：
表明高含量石墨烯/铜线可在不牺牲导电能力的前提下显著提升抗原子氧侵蚀能力，具备长寿命空间电力系统应用潜力。
结语
核心总结：
石墨烯/铜复合线材的原子氧侵蚀行为与石墨烯含量及伴随的微观结构密切相关。高含量石墨烯/铜线在模拟原子氧环境中表现出显著优于低含量线的抗氧化侵蚀能力。
技术机制与优势：
高含量线中密集分布的石墨烯纳米颗粒与细晶、高位错密度纳米结构协同，延长原子氧扩散路径，阻断晶界快速扩散，分割氧化反应区域；石墨烯自身sp² 结构化学惰性强，不易发生类似铜氧化物的体积膨胀与应力开裂。
方法效益与应用价值：
研究结合地面模拟、多尺度微观表征和分子动力学模拟，证明高含量石墨烯/铜线在30 h原子氧暴露后强度保持 >99%，导电率变化小，为空间导线抗原子氧设计提供实验与理论支撑。
工艺优化与未来发展：
后续可增加中间时间点和更长暴露时间，建立完整氧化动力学曲线；进一步优化石墨烯含量、分布、界面结合及拉拔/退火工艺，明确性能退化阈值。
潜在应用领域：
低地球轨道航天器、卫星、空间太阳能电站、月基设施及长寿命高可靠电力传输系统。
作者介绍
耿永锋，上海交通大学金属基复合材料全国重点实验室博士后，主要从事石墨烯/铜基复合材料、金属基复合材料界面设计与强韧化机理研究。以第一作者在 Nature Communications 等期刊发表高水平论文，参与多项国家重点研发计划，并拥有相关发明专利及成果转化经历。
熊定邦，上海交通大学金属基复合材料全国重点实验室研究员，入选国家高层次人才计划。主要围绕结构/功能一体化、多功能金属基复合材料的设计与制备、构效关系及性能等，开展从基础到应用的研究。以第一/通讯作者在 Nature Communications、 Acta Materialia、Advanced Functional Materials、ACS Nano等国内外期刊发表 SCI 论文60余篇，研究成果获省/协会一等奖3项。现任Composites Part B 期刊副编辑。
文章信息
Geng Y, He S, Dai W, Zhang X, Zhang D, Xiong D-B. Atomic oxygen erosion behaviors in graphene/copper composite wires: A multi-scale structural and mechanistic study. Transactions of Materials Research. 2026; 2: 100434. https://doi.org/10.1016/j.tramat.2026.100434
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