南京航空航天大学王敏团队:高热稳定性石墨烯包覆细晶铜复合材料的研制

金属铜较差的热稳定性导致其应用受限。本研究采用化学气相沉积法（CVD）在晶粒直径约为1 μm的细晶铜表面生长石墨烯，成功制备了石墨烯包覆细晶铜复合材料。研究结果显示：细晶纯铜的晶粒尺寸随着烧结温度升高而增大，由600 ℃时的2.03 μm增加至1000 ℃时的18.2 μm，且硬度由600 ℃时的91.56HV降至1000 ℃时的27.64HV； 在不同烧结温度下，石墨烯包覆细晶铜复合材料的晶粒尺寸稳定在1.25~1.35 μm，硬度保持在83.96~100.63HV。该结果表明，石墨烯包覆的细晶铜复合材料展现出比细晶纯铜更优异的热稳定性，这是因为铜颗粒表面石墨烯的包覆有效抑制了铜原子的扩散。此外，对石墨烯包覆细晶铜复合材料拉拔得到的复合导线进行了性能测试，结果表明：与细晶纯铜相比，其硬度提升了53.9%，抗拉强度增加了12%，延伸率提高了29.8%，而电阻率降低了6.8%。该研究为高热稳定性铜基复合材料的研制提供了新的思路。

图1 石墨烯包覆细晶铜复合材料的制备流程图

图2 （a）石墨烯包覆细晶铜复合粉体的SEM图像，（b）铜元素和（c）碳元素的EDS分布，（d）复合粉体的拉曼光谱

图3 石墨烯包覆细晶铜复合粉体的TEM图：（a）低倍数形貌； （b，c）石墨烯层

图4 不同烧结温度下细晶纯铜截面的SEM图像：（a） 600 ℃；（b） 700 ℃；（c） 800 ℃；（d） 900 ℃；（e） 950 ℃；（f） 1000 ℃

图5 不同烧结温度下细晶纯铜截面晶粒尺寸分布图：（a） 600 ℃；（b） 700 ℃；（c） 800 ℃；（d） 900 ℃；（e） 950 ℃；（f） 1000 ℃

图6 不同烧结温度下石墨烯包覆细晶铜复合材料截面的SEM图像：（a） 600 ℃；（b） 700 ℃；（c） 800 ℃；（d） 900 ℃；（e） 950 ℃；（f） 1000 ℃

图7 不同烧结温度下石墨烯包覆细晶铜复合材料截面晶粒尺寸分布图：（a） 600 ℃；（b） 700 ℃；（c） 800 ℃；（d） 900 ℃；（e） 950 ℃；（f） 1000 ℃

图8 石墨烯包覆细晶铜复合材料与细晶纯铜平均晶粒尺寸随烧结温度变化关系图

图9 石墨烯包覆细晶铜复合材料与细晶纯铜硬度随烧结温度变化关系图

图10 石墨烯包覆细晶铜复合材料以及铜原子在多层石墨烯中的扩散示意图

图11 1 g石墨烯包覆细晶铜复合粉体以及导线中石墨烯含量柱状图

图12 细晶纯铜导线与石墨烯包覆细晶铜复合导线硬度柱状图

图13 细晶纯铜导线与石墨烯包覆细晶铜复合导线拉伸性能图：（a）拉伸曲线； （b）抗拉强度； （c）延伸率

图14 细晶纯铜导线与石墨烯包覆细晶铜复合导线电阻率柱状图

本研究利用化学气相沉积法（CVD）成功制备了石墨烯包覆的细晶铜，并结合压片和真空烧结工艺，开发了具有优异热稳定性的石墨烯包覆细晶铜复合材料。研究结果表明，复合材料的热稳定性显著提高，其主要机制在于多层石墨烯包覆层有效抑制了铜原子的扩散，显著减缓了高温下晶粒的粗化过程。在600~1000 ℃的烧结温度区间内，石墨烯包覆细晶铜表现出卓越的结构稳定性，其平均晶粒尺寸保持在1.25~1.35 μm，而未包覆石墨烯的纯铜晶粒尺寸则大幅增长至18.2 μm。复合材料的维氏硬度维持在83.96~100.63HV之间，而细晶纯铜硬度则从91.56HV下降至27.64HV，表明热稳定性显著提升。进一步通过拉拔工艺制备了石墨烯包覆细晶铜复合导线，测试发现其力学和电学性能都得到全面增强，硬度、抗拉强度和延伸率分别比细晶纯铜导线提高了53.9%，12%和29.8%，电阻率则降低了6.8%。