1成果簡介

在現(xiàn)代社會中，提高金屬的導(dǎo)電性仍然是一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)，因?yàn)樗苯記Q定了電力電子系統(tǒng)的傳輸效率。近年來，石墨烯作為一種具有優(yōu)異電導(dǎo)率和低電阻溫度系數(shù)的材料，因其潛在提高金屬的導(dǎo)電性和機(jī)械性能，引起了廣泛關(guān)注。本文，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室付瑩團(tuán)隊(duì)在《Journal of Materials Research and Technology》期刊發(fā)表名為“Progress of highly conductive Graphene-reinforced Copper matrix composites: A review”的論文，深入研究了石墨烯和銅的內(nèi)在物理特性，指出了開發(fā)高導(dǎo)電性石墨烯/銅復(fù)合材料的具體障礙。盡管石墨烯和銅之間存在微弱的范德華相互作用，但研究者們通過深入分析，揭示了銅和石墨烯之間的相互作用機(jī)制。本綜述的主要重點(diǎn)是探討通過不同的設(shè)計(jì)策略和加工技術(shù)提高石墨烯/銅復(fù)合材料導(dǎo)電性的方法。更為復(fù)雜和關(guān)鍵的因素包括原材料的質(zhì)量、加工技術(shù)、尺寸精度、晶體學(xué)取向以及石墨烯和銅之間的界面特性。此外，還進(jìn)一步討論了石墨烯/銅復(fù)合材料的研究空白和發(fā)展趨勢。

2圖文導(dǎo)讀

圖1. 2010 年至 2023 年在 Web of Science 中檢索到的 Cu/ Gr 復(fù)合材料領(lǐng)域的論文數(shù)量。

表1. Cu/Gr 研究歷史上爆發(fā)最強(qiáng)的 21 個關(guān)鍵詞（紅色）。

圖2. 文章研究框架 。

3小結(jié)

石墨烯已被用作銅基復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，以獲得更高的機(jī)械性能和更好的導(dǎo)熱性。近年來，盡管對石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料電氣性能的研究取得了一系列進(jìn)展，然而其還未達(dá)到理想預(yù)期，因此其導(dǎo)電性依舊是研究熱點(diǎn)。本研究系統(tǒng)全面回顧了銅/石墨烯復(fù)合材料的電氣性能和機(jī)械性能。鑒于二維石墨烯和三維銅的物理結(jié)構(gòu)特性不同，了解石墨烯-銅相互作用界面至關(guān)重要。復(fù)合材料整體傳輸效率與石墨烯基體、銅基體和界面的相互作用有關(guān)，因此是石墨烯的質(zhì)量、尺寸、排列方向和銅晶面指數(shù)等因素都會顯著影響石墨烯-銅界面?zhèn)鬏斝剩瑥亩绊懻w電氣性能。在此，我們回顧了通過制造工藝和表面處理提高復(fù)合材料電氣性能的方法，旨在改善 二維石墨烯與三維銅基體之間的接觸。其中，加工工藝是控制缺陷、尺寸、含量、取向、界面相互作用和改性的關(guān)鍵因素。因此要有效提高復(fù)合材料的性能，必須優(yōu)化現(xiàn)有工藝路線和工藝參數(shù)。混合工藝路線可以克服單一工藝在實(shí)際應(yīng)用中無法應(yīng)對的挑戰(zhàn)。精心選擇和設(shè)計(jì)合成路線對于實(shí)現(xiàn)高性能、高成本效益的商業(yè)應(yīng)用復(fù)合材料至關(guān)重要。

雖然本研究主要強(qiáng)調(diào)石墨烯/銅復(fù)合材料的導(dǎo)電性和機(jī)械性能，但有必要強(qiáng)調(diào)的是，其還具有優(yōu)異的綜合性能，包括高耐腐蝕性、低摩擦系數(shù)、高載流量能力和出色的導(dǎo)熱性。這些特性使它們可適用于集成電路引線框架、柔性電子器件、微電子設(shè)備冷卻系統(tǒng)、高性能電線電纜、高頻傳輸線和其他高頻電子元件等先進(jìn)應(yīng)用領(lǐng)域。值得注意的是，在各種制備技術(shù)中，通過火花等離子燒結(jié)原位合成銅/石墨烯復(fù)合材料因其工藝簡單、省時，有利于大規(guī)模生產(chǎn)而特別值得關(guān)注。這種方法不僅能保持石墨烯的質(zhì)量，還能促進(jìn)石墨烯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的形成，為電子傳輸提供更多傳輸路線和途徑，從而提高復(fù)合材料的整體性能。此外原位生產(chǎn)塊狀銅/石墨烯材料還有助于通過熱擠壓和拉伸技術(shù)將其加工成銅/石墨烯復(fù)合材料線，從而實(shí)現(xiàn)高性能復(fù)合材料線的大規(guī)模制造。未來，石墨烯/銅復(fù)合材料絲、箔和塊狀材料綜合性能的提高將大大增強(qiáng)現(xiàn)有銅產(chǎn)品的性能，為相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步研究提供了重要的參考價值。通過不斷優(yōu)化材料設(shè)計(jì)和加工工藝，有望實(shí)現(xiàn)更高性能的石墨烯/銅基復(fù)合材料，從而推動電力電子系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用拓展。

文獻(xiàn)： https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.11.076