銅/石墨烯復合材料的研究進展

吳瑩瑩

（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇 蘇州 215163）

銅及其合金因優良的導熱性、導電性，良好的延展性、韌性、耐腐蝕性，受到廣泛關注，應用于日常生活各個領域。但傳統的銅及合金在高溫性能、機械強度、摩擦性能、耐腐蝕等方面性能偏弱，已不能滿足現代工業的要求。將銅和增強體制備成銅基復合材料是近年來銅材料研究領域的一大熱點，可以彌補上述缺點。

石墨烯是一種新型的二維碳材料，具有優異的導電率、導熱率，超高的力學性能和超大的比表面積，被認為是復合材料的理想增強體。近年來科研工作者對銅/石墨烯復合材料進行了較多的研究，本文主要闡述近期關于銅/石墨烯復合材料的最新研究進展，為科研學者們繼續深入研究提供一定的參考。

1 銅/石墨烯復合材料的研究現狀

根據增強效果的不同，銅/石墨烯復合材料研究主要集中在力學性能、耐磨性能、導熱性能、導電性能、耐腐蝕性能等方向。

1.1 增強力學性能

朱威等借助分子級混合及均質機剝離共同作用，采用放電等離子體燒結（SPS)工藝制備了銅/還原氧化石墨烯復合材料。

測試復合材料的力學性能，結果表明隨著氧化石墨烯含量的增加，復合材料壓縮屈服強度值先增大后減小，當氧化石墨烯體積分數為2.4%時達到最大值481MPa，是純銅相應值的3倍。當氧化石墨烯體積分數為0.6%時，硬度為純銅硬度的1.7倍[1]。

凌自成等采用機械球磨濕磨法將石墨烯與納米銅粉混合，然后通過等離子燒結(SPS)技術制備得到銅/石墨烯復合材料。研究表明，在0.5%石墨烯添加，球磨時間8h時，石墨烯在銅基體中有更好的結合和分布，性能改善相對最佳，其拉伸屈服強度為183MPa，較純銅提高52.5%；壓縮屈服強度為365MPa，提升近1.4倍；HV硬度也達到1350MPa[2]。

Chen等采用原位化學氣相沉積和粉末冶金相結合的方法，制備了銅/石墨烯復合材料。首先通過共混球磨，將PMMA均勻分散在銅粉表面，然后采用化學氣相沉積法在銅粉表面原位生長石墨烯，再通過粉末冶金熱壓燒結制備得到塊體復合材料。石墨烯質量分數0.5wt.%的銅/石墨烯復合材料屈服強度和拉伸強度分布達到290MPa和308MPa，相比純銅分別提高233%和35.7%[3]。

1.2 增強耐磨性能

左倩等通過SPS法制備得到銅/石墨烯復合材料，其中石墨烯含量為1.0vol%。石墨烯的加入可以很好地改善材料的摩擦性能，摩擦系數從純銅的0.95降低至0.35。但銅石墨烯復合材料的相對密度較低[4]。

盧曉通等以化學鍍結合粉末冶金法制備石墨烯/銅基復合材料(Cu@rGO/Cu)。Cu@rGO加入銅基體后有效改善了摩擦過程中的應力集中，使復合材料的摩擦性質更加穩定，耐磨性更好。當Cu@rGO的添加量為3%時復合材料具有最佳的摩擦性能，此時摩擦系數為0.28[5]。

1.3 增強導熱性能

范增奇采用SPS技術制備得到銅/三維網絡石墨烯復合材料。雖然復合材料的導電性能相較純銅略有下降，但復合材料的熱導率提升了15%，力學性能有所提高[6]。

王唯利用電泳沉積法制備得到銅/氧化石墨烯復合材料。在1g/L的少層氧化石墨烯水溶液中以60V的電壓沉積5min時，得到的復合材料薄膜總厚度53.35μm，熱導率最高達494W/(m·K)，相較于純銅熱導率提高24.1%，較商用薄膜最多提高11.5%[7]。

1.4 增強導電性能

侯寶森通過引入分散劑使銅粉隔離，防止銅粉在高溫下產生粘接，再通過CVD在1000℃生長石墨烯，得到銅/石墨烯復合材料。導電、導熱分別為96%IACS、384 W/(m·K)。室溫下石墨烯/銅的接觸電阻值比銅低14%，說明石墨烯能對界面的導電性有增強的效果，且這種效果隨著溫度升高更佳明顯[8]。

李瑗茹研究了RGO/Cu材料的電接觸特性。其制備的RGO/Cu復合材料最大電導率達到94.5%IACS。添加了0.02wt%RGO的合金材料在5000次電弧燒蝕測試后接觸電阻約為600mΩ，相同條件下的純合金材料的接觸電阻為700mΩ[9]。

1.5 增強耐腐蝕性能

馬瓊采用常壓化學氣相沉積法在銅表面沉積石墨烯，制備得到銅/石墨烯復合材料，其抗腐蝕性能比純銅箔的抗腐蝕性能提高了1個數量級。更進一步利用原子層沉積法在石墨烯表面沉積三氧化二鋁鈍化顆粒，對石墨烯的缺陷進行鈍化處理，其耐腐蝕性能進一步提升[10]。

戴丹等采用化學氣相沉積原位生長法結合分散劑工藝，制備得到銅/石墨烯復合材料粉體，再采用真空熱壓工藝，制備了塊狀銅/石墨烯復合材料，其導電率高達96%IACS。在過硫酸銨溶液中浸泡90min后，銅/石墨烯復合材料試樣的質量損失為126.6mg,銅試樣的質量損失為202.8mg，銅/石墨烯復合材料的抗刻蝕能力提高了37.6%[11]。

2 結論

石墨烯作為理想增強體材料，在增強銅基復合材料的力學性能、耐磨性能方面取得了顯著的成果，但增強導電和導熱方面的特性還沒有明顯的展示。一方面是因為技術不完善，實際制備出來的石墨烯往往存在很多缺陷，大大降低了石墨烯的性能優勢，另外一方面是銅和石墨烯之間的界面問題影響了復合材料的導電導熱性能的發揮。因此，為獲得綜合性能優秀的銅/石墨烯復合材料還需要更加深入的研究。