高导电石墨烯增强铜基复合材料的研究进展

1成果简介 

在现代社会中，提高金属的导电性仍然是一个关键挑战，因为它直接决定了电力电子系统的传输效率。近年来，石墨烯作为一种具有优异电导率和低电阻温度系数的材料，因其潜在提高金属的导电性和机械性能，引起了广泛关注。本文，松山湖材料实验室付莹团队在《Journal of Materials Research and Technology》期刊发表名为“Progress of highly conductive Graphene-reinforced Copper matrix composites: A review”的论文，深入研究了石墨烯和铜的内在物理特性，指出了开发高导电性石墨烯/铜复合材料的具体障碍。尽管石墨烯和铜之间存在微弱的范德华相互作用，但研究者们通过深入分析，揭示了铜和石墨烯之间的相互作用机制。本综述的主要重点是探讨通过不同的设计策略和加工技术提高石墨烯/铜复合材料导电性的方法。更为复杂和关键的因素包括原材料的质量、加工技术、尺寸精度、晶体学取向以及石墨烯和铜之间的界面特性。此外，还进一步讨论了石墨烯/铜复合材料的研究空白和发展趋势。  

2图文导读  

图1. 2010 年至 2023 年在 Web of Science 中检索到的 Cu/ Gr 复合材料领域的论文数量。

表1. Cu/Gr 研究历史上爆发最强的 21 个关键词（红色）。

图2. 文章研究框架 。

3小结 

石墨烯已被用作铜基复合材料的增强材料，以获得更高的机械性能和更好的导热性。近年来，尽管对石墨烯增强铜基复合材料电气性能的研究取得了一系列进展，然而其还未达到理想预期，因此其导电性依旧是研究热点。本研究系统全面回顾了铜/石墨烯复合材料的电气性能和机械性能。鉴于二维石墨烯和三维铜的物理结构特性不同，了解石墨烯-铜相互作用界面至关重要。复合材料整体传输效率与石墨烯基体、铜基体和界面的相互作用有关，因此是石墨烯的质量、尺寸、排列方向和铜晶面指数等因素都会显著影响石墨烯-铜界面传输效率，从而影响整体电气性能。在此，我们回顾了通过制造工艺和表面处理提高复合材料电气性能的方法，旨在改善 二维石墨烯与三维铜基体之间的接触。其中，加工工艺是控制缺陷、尺寸、含量、取向、界面相互作用和改性的关键因素。因此要有效提高复合材料的性能，必须优化现有工艺路线和工艺参数。混合工艺路线可以克服单一工艺在实际应用中无法应对的挑战。精心选择和设计合成路线对于实现高性能、高成本效益的商业应用复合材料至关重要。

虽然本研究主要强调石墨烯/铜复合材料的导电性和机械性能，但有必要强调的是，其还具有优异的综合性能，包括高耐腐蚀性、低摩擦系数、高载流量能力和出色的导热性。这些特性使它们可适用于集成电路引线框架、柔性电子器件、微电子设备冷却系统、高性能电线电缆、高频传输线和其他高频电子元件等先进应用领域。值得注意的是，在各种制备技术中，通过火花等离子烧结原位合成铜/石墨烯复合材料因其工艺简单、省时，有利于大规模生产而特别值得关注。这种方法不仅能保持石墨烯的质量，还能促进石墨烯网络结构的形成，为电子传输提供更多传输路线和途径，从而提高复合材料的整体性能。此外原位生产块状铜/石墨烯材料还有助于通过热挤压和拉伸技术将其加工成铜/石墨烯复合材料线，从而实现高性能复合材料线的大规模制造。未来，石墨烯/铜复合材料丝、箔和块状材料综合性能的提高将大大增强现有铜产品的性能，为相关领域的进一步研究提供了重要的参考价值。通过不断优化材料设计和加工工艺，有望实现更高性能的石墨烯/铜基复合材料，从而推动电力电子系统的技术进步和应用拓展。

文献： https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.11.076