1成果簡介

在現(xiàn)代社會中，提高金屬的導電性仍然是一個關鍵挑戰(zhàn)，因為它直接決定了電力電子系統(tǒng)的傳輸效率。近年來，石墨烯作為一種具有優(yōu)異電導率和低電阻溫度系數(shù)的材料，因其潛在提高金屬的導電性和機械性能，引起了廣泛關注。本文，松山湖材料實驗室付瑩團隊在《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在物理特性，指出了開發(fā)高導電性石墨烯/銅復合材料的具體障礙。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制。本綜述的主要重點是探討通過不同的設計策略和加工技術提高石墨烯/銅復合材料導電性的方法。更為復雜和關鍵的因素包括原材料的質量、加工技術、尺寸精度、晶體學取向以及石墨烯和銅之間的界面特性。此外，還進一步討論了石墨烯/銅復合材料的研究空白和發(fā)展趨勢。

2圖文導讀

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

表1. Cu/Gr 研究歷史上爆發(fā)最強的 21 個關鍵詞（紅色）。

圖2. 文章研究框架 。

3小結

石墨烯已被用作銅基復合材料的增強材料，以獲得更高的機械性能和更好的導熱性。近年來，盡管對石墨烯增強銅基復合材料電氣性能的研究取得了一系列進展，然而其還未達到理想預期，因此其導電性依舊是研究熱點。本研究系統(tǒng)全面回顧了銅/石墨烯復合材料的電氣性能和機械性能。鑒于二維石墨烯和三維銅的物理結構特性不同，了解石墨烯-銅相互作用界面至關重要。復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，因此是石墨烯的質量、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鍵因素。因此要有效提高復合材料的性能，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際應用中無法應對的挑戰(zhàn)。精心選擇和設計合成路線對于實現(xiàn)高性能、高成本效益的商業(yè)應用復合材料至關重要。

雖然本研究主要強調石墨烯/銅復合材料的導電性和機械性能，但有必要強調的是，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應用領域。值得注意的是，在各種制備技術中，通過火花等離子燒結原位合成銅/石墨烯復合材料因其工藝簡單、省時，有利于大規(guī)模生產而特別值得關注。這種方法不僅能保持石墨烯的質量，還能促進石墨烯網(wǎng)絡結構的形成，為電子傳輸提供更多傳輸路線和途徑，從而提高復合材料的整體性能。此外原位生產塊狀銅/石墨烯材料還有助于通過熱擠壓和拉伸技術將其加工成銅/石墨烯復合材料線，從而實現(xiàn)高性能復合材料線的大規(guī)模制造。未來，石墨烯/銅復合材料絲、箔和塊狀材料綜合性能的提高將大大增強現(xiàn)有銅產品的性能，為相關領域的進一步研究提供了重要的參考價值。通過不斷優(yōu)化材料設計和加工工藝，有望實現(xiàn)更高性能的石墨烯/銅基復合材料，從而推動電力電子系統(tǒng)的技術進步和應用拓展。

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