昆明理工大学姜庆伟：石墨烯和碳纳米管增强铜基复合材料的研究进展

昆明理工大学姜庆伟：石墨烯和碳纳米管增强铜基复合材料的研究进展

石墨烯和碳纳米管增强铜基复合材料的研究进展，本文从制备方法、性能提升机制及潜在应用前景等方面进行了全面回顾。研究发现，这些增强相的引入不仅可以显著提高铜基材料的力学性能，还能够在一定程度上维持甚至提升其导电性能。

研究背景

铜基复合材料因卓越的导电性、良好的热传导能力和优异的机械性能，在众多工业领域中扮演着重要角色。随着科技的进步，对材料性能的要求越来越高，尤其是在电力传输、电子器件和航空航天等领域，对材料的强度、导电性和热稳定性等性能提出了更高的要求。为了满足这些要求，研究人员通过引入碳纳米增强相提高铜基复合材料的综合性能。

碳纳米增强相包括：1）零维碳纳米相。如碳微球（carbon microspheres，CMS）、富勒烯（C60和C70）、碳纳米洋葱（carbon nano-onions，CNO）等，它们具有球形实心或空心结构以及多尺度的空间分布特点。2）一维碳纳米相。主要包括碳纳米管（carbon nanotubes，CNT）和碳纳米纤维（carbon nanofibers，CNFs），它们在两个维度上是纳米级的，具有较大的长径比和比表面积。3）二维碳纳米相。如石墨烯（graphene，Gr），是由单层碳原子通过sp2杂化形成的二维材料，具有高比表面积、高比强度和比模量以及优异的电子、声子传输能力。4）三维碳纳米相。如三维网络状的石墨烯或石墨烯泡沫，它们通过在三维空间中形成多孔或网络状结构来增强材料的力学性能和热/电传输性能。5）多维度碳纳米相。通过将不同维度的碳纳米材料进行组合，如将一维的CNT与二维的Gr结合，形成混合维度的增强相，以获得更好的协同增强效果。

CNT和Gr具有独特的物理和化学性质，被认为是铜基复合材料中理想的增强相。CNT具有极高的强度和模量，而Gr则以卓越的导电导热性闻名。这些增强相的引入不仅可以显著提高铜基材料的力学性能，还能够在一定程度上维持甚至提升其导电性能。

Gr和CNT作为增强体增强铜基复合材料时，具有一些相似之处，但也存在显著的差异。其相同点有：1）高电导率。Gr和CNT都具有比铜更高的电导率，都是提高铜材料电导率的理想增强体。2）增强效果。它们都能有效增强铜基复合材料的力学性能，如强度和韧性。3）增强导热性能。Gr和CNT都具有优异的热传导性能，可以提高铜基复合材料的热导率。4）Gr和CNT都以弥散强化纳米相的形式存在铜基体中，且都存在难分散和润湿性差的问题。它们的不同点有：1）结构差异。Gr是由单层碳原子构成的二维材料，而CNT是具有一维纳米尺度的管状结构。2）界面结合差异。Gr与铜基体的界面结合可能因为Gr的二维平面结构而面临挑战，而CNT因具有管状结构可能更容易与铜基体形成有效的机械锁合。3）制备工艺。Gr的引入可能因为结构破坏或官能团的引入而导致电导率降低，而CNT的引入可能更易于保持其本征电导率。4）导电模式。Gr/铜复合界面的电导能力可能因为晶格失配和界面结合方式而受影响，而CNT可能因为与铜基体的特定晶格位相关系而具有更高的导电能力。5）增强机制。Gr的增强机制可能涉及细晶强化、载荷传递和固溶强化，而CNT可能更多地依赖于其高长径比带来的增强效果。

尽管CNT和Gr增强铜基复合材料的研究已经取得了显著进展，但在界面结合、纳米材料的均匀分散以及成本效益等方面仍存在挑战。此外，这些复合材料的潜在应用，如在电力和电气系统中的使用，也亟须进一步的研究和开发。

制备方法与性能提升机制

本文旨在总结近年来CNT和Gr增强铜基复合材料的研究进展，包括制备方法、性能提升机制以及潜在的应用前景。首先回顾铜基复合材料的基础知识和纳米材料的特性，然后阐述CNT和Gr的引入技术及其对铜基复合材料性能的影响。接着，探讨复合材料的微观结构、力学性能、电学和热学性能，以及特殊功能和应用。最后讨论当前研究面临的挑战和未来研究方向，以期为这一领域的研究者提供有价值的信息和启示。

图文速览

图1 C-PNTs/Cu复合材料制备示意图

图2 CNT/Cu复合材料的网络约束示意图

图3 Gr/铜多层复合材料的（a）低倍和（b）高倍SEM图像

图4 （a）纯Cu和GO/Cu复合材料在电流密度为9 A/dm²，GO浓度为0.8 g/L以及超声功率为120 W时的摩擦系数；（b）纯Cu和（c）GO/Cu复合材料在GO浓度为0.8 g/L，超声功率为120 W情况下典型的三维形貌

图5 铜包石墨复合材料的摩擦学性能

图6 Si@Cu/CNT/rGO制备流程图

图7 超声辅助电沉积制备的Gr增强铜基复合材料的结合界面：（a）GO/Cu复合箔的TEM图像；（bc1）GO/Cu复合材料界面区的HRTEM图像及其对应的快速傅里叶变换（FFT）和逆傅里叶变换（IFFT）图像；（c）界面无序区；（d）界面附近的位错和（e）无序区示意图；（fi）界面附近元素分布图

图8 CPD-CNT复合材料的微观结构：（a，b）不同倍率下Cu基体中CPD-CNT互连结构的TEM图像；（c）CPD纳米颗粒和碳纳米管的HRTEM图像；（d）图8（c）中黄框标记区域的IFFT图像

展望

1）纳米复合材料的微观结构控制：未来的研究可能会集中在更精确地控制CNT和Gr在铜基体中的分布和取向。通过优化复合材料的微观结构，可以获得更好的力学性能、电导率和热导率。Gr氧化物功能化CNT混合增强铜基复合材料的制备，证实了通过微观结构调控来改善材料性能的可能性。

2）制备工艺的创新：为了降低成本并提高生产效率，研究者可能会探索新的制备工艺，如电沉积、化学气相沉积、分子级混合方法、热压复合法等，尝试新方法制备Gr-铜复合材料和CNT/铜基复合材料，这些研究可为未来的工艺创新提供方向。

3）界面工程的深入研究：界面工程是提高CNT和Gr增强铜基复合材料性能的关键。未来的研究可能会集中在开发新的表面改性技术，以改善CNT和Gr与铜基体之间的界面结合。CNT表面改性和利用CPD桥接改善CNT/Cu复合材料界面结合的研究，为未来研究提供了潜在方向。

4）多功能复合材料的开发：随着技术的发展，对材料的性能要求越来越高。未来的研究可能会集中在开发具有多种功能的CNT和Gr增强铜基复合材料，如同时具有高导电性、高热导率和良好机械性能的复合材料。Liu等提到的CNT/Cu复合导体研究就是一个典型的例子，通过构建均匀CNT/Cu复合导体策略，获得显著增强的电容、导电性和热机械性能。

5）应用驱动的研究：随着新材料在能源、航空航天、电子和汽车等领域的应用需求不断增长，未来的研究将更加注重应用驱动。这可能包括为特定应用定制材料性能，如在电力系统中使用的高电流承载材料，或者在极端环境下使用的高稳定性材料。专家学者对铜基复合材料在电力工程中的应用进行了研究，都表明应用驱动的研究是未来发展的一个重要趋势。

CNT和Gr增强铜基复合材料的研究正朝着微观结构控制、制备工艺创新、界面工程深入研究、多功能复合材料开发和应用驱动研究等方向发展。这些趋势和创新点将推动材料科学的进步，并为工业应用提供更高效、更经济、更可靠的解决方案。未来的研究将继续探索新的高强高导铜基材料和器件的设计和制备方法，以满足日益增长的材料性能需求。

本文原文来自《铜业工程》