钴介导界面工程实现铜-石墨烯复合材料导电、导热与力学性能协同突破

随着第五代移动通信（5G）、高速轨道交通及大功率电子器件对热管理材料和导电材料性能要求的持续攀升，铜基复合材料的发展面临严峻挑战。在集成电路引线框架、高速铁路接触线及新能源汽车电连接器等关键应用中，材料不仅需要接近纯铜的导电与导热性能，还需兼具更高的强度与可靠性。然而，铜基复合材料中强度与导电/导热性之间存在长期固有的制衡矛盾：传统强化手段（如细晶强化、第二相强化）虽能提升强度，却因引入大量晶界、位错及相界面而加剧电子与声子散射，导致导电和导热性能显著下降。石墨烯凭借其超高的本征载流子迁移率和优异的导热性能，被视为铜基复合材料的理想增强相。然而，石墨烯与铜之间极差的润湿性（接触角约170°）、极低的固溶度（约0.005%）以及石墨烯层间的强范德华力，导致其易团聚、界面结合薄弱，严重制约了其性能潜力的发挥。因此，开发一种能协同提升导电性、导热性与强度的新型界面调控策略，成为该领域的研究热点与难点。

2026年，广西师范大学李庆余教授、王红强教授团队联合桂林金格电电子材料科技有限公司，在行业期刊《cMat》上发表题为“Enhancing Electrical and Thermal Conductivity of Cu Graphene Composites via Cobalt‐Mediated Interfacial”的研究论文。在该论文中，团队提出了一种“钴介导界面工程”策略：以聚多巴胺（PDA）为碳氮前驱体，在铜粉表面原位聚合包覆，并引入微量钴（Co）作为双功能催化剂。在高温烧结过程中，钴不仅高效催化PDA转化为高质量、氮掺杂石墨烯，同时在铜-石墨烯界面形成导电导热桥接层。该策略成功制备了Co-5Gr/Cu复合材料，其电导率达到95.25% IACS（国际退火铜标准），热导率达到437 W/m·K（为纯铜的1.16倍），显微硬度较纯铜提高9.60%，极限抗拉强度达263.48 MPa（为纯铜的1.68倍），实现了导电性、导热性与力学性能的同步优化，为高性能铜基复合材料的设计与制备开辟了新路径。

01核心内容

该研究提出了一种“钴介导界面工程”策略，通过PDA自聚合包覆与微量钴催化烧结工艺，制备了Co-5Gr/Cu复合材料。该材料的核心特征在于：钴在高温下发挥双重关键作用——一方面，钴作为石墨化催化剂，显著提高了原位生成碳层的晶体有序度，降低了缺陷密度，促进了高质量、低缺陷石墨烯的形成；另一方面，钴在石墨烯与铜基体之间形成了具有强化学键合的界面相（碳化钴或钴桥接层），该界面层利用钴与铜的良好相容性及其优异的导电导热本征属性，充当高效的电子与声子传输通道，显著降低了界面散射效应。得益于这一独特的界面结构，复合材料在硬度、强度和塑韧性提升的同时，成功维持甚至优化了导电和导热性能，突破了传统铜基材料中强度-导电-导热相互制约的长期瓶颈。

02研究成果

1、钴催化原位生成高质量氮掺杂石墨烯

研究团队利用PDA在铜粉表面的自聚合包覆，结合微量钴的催化作用，通过高温烧结实现了石墨烯在铜基体中的原位可控生长。微观结构及光谱表征显示：

（1）高质量、低缺陷石墨烯：拉曼光谱（图2D）表明，钴催化样品（Co-5Gr/Cu）的ID/IG比值显著低于未催化样品，证实钴有效提高了石墨烯的结构有序度，减少了缺陷密度。XPS C 1s谱（图3A、B）进一步证实，钴催化样品中C=C（sp²碳）峰强度明显增强，石墨化程度显著提高。

（2）氮掺杂构型优化：XPS N 1s谱（图3C、D）分析表明，钴的引入引导氮原子以热力学稳定的“石墨氮”形式掺入碳晶格，吡啶氮含量降低，石墨氮和吡咯氮比例增加。作为给电子掺杂剂，石墨氮有效调控了石墨烯的电子结构，降低了界面接触电阻。

（3）均匀分散与强界面结合：TEM及EDS面扫（图4A-I）显示，石墨烯在铜基体中呈连续均匀的包覆分布，C、N、Cu、Co元素分布均匀；HRTEM（图4D）清晰观察到钴物种在铜-石墨烯界面处作为“界面锚点”桥接两相，形成致密连续的界面层。

2、卓越的综合性能表现

具有钴介导界面的Co-5Gr/Cu复合材料性能全面超越纯铜及其他对比样品：

（1）导电-导热协同提升：Co-5Gr/Cu复合材料的电导率达到95.25% IACS，较纯铜（88.73% IACS）提高7.35%；热导率达到437 W/m·K，为纯铜的1.16倍（图5C、D）。该电导率值在已报道的原位生长石墨烯/铜复合材料中处于领先水平，且首次在硬度显著提升的同时实现了导电导热性能的同步超越。

（2）力学性能显著增强：Co-5Gr/Cu复合材料的显微硬度达92.25 HV，较纯铜提高9.60%；极限抗拉强度达263.48 MPa，为纯铜（156.51 MPa）的1.68倍；压缩强度达820 MPa，与5Gr/Cu相当（图6A、B）。同时，该样品延伸率达161%，保持了良好的塑性。

（3）综合性能优势显著：雷达图对比（图7A）显示，Co-5Gr/Cu复合材料在导电率、热导率、硬度、抗拉强度等关键性能指标上均优于已报道的同类复合材料，充分证明了钴介导界面工程策略的优越性。

3、钴介导界面协同强化-导电机理

团队对复合材料的结构-性能关系进行了系统分析，阐明了钴的多重协同机制：

（1）导电导热双通道构建：钴催化生成的高质量石墨烯提供了高效的载流子传输网络；钴桥接界面层作为电子和声子的快速通道，有效降低了界面接触电阻和热阻（图7B）。此外，石墨氮掺杂提供了额外电荷载流子，优化了界面能带排列。

（2）细晶强化与位错调控：EBSD分析（图4J-L）表明，Co-5Gr/Cu的平均晶粒尺寸仅2.5 μm，较纯铜（17.6 μm）显著细化；同时，钴的添加促进了再结晶，使晶内晶体学取向更一致，位错密度更低，减少了晶界对电子的散射。

（3）界面载荷传递与强化：钴桥接界面层有效钉扎位错，阻碍塑性变形，并将载荷高效传递给高强度石墨烯，最大化增强效果，使复合材料在强度提升的同时未牺牲导电导热性能。

图1 纯铜及石墨烯/铜复合材料形貌图：(A)纯铜、(B)1PDA@Cu、(C)5PDA@Cu、(D)10PDA@Cu、(E,F)Co5PDA@Cu的扫描电镜（SEM）图像

图2 材料的结构分析：（A）铜粉和PDA包覆铜粉的FT-IR光谱；（B）石墨烯/铜复合材料的XRD图谱；（C）烧结铜和石墨烯/铜复合材料的FT-IR光谱，（D）拉曼光谱，（E）氧含量，及（F）碳含量

图3（ A、B）Co-5Gr@Cu和（C、D）5Gr@Cu的XPS谱图

图4 （A、B）5Gr@Cu复合材料和（C、D）Co‑5Gr@Cu复合材料的TEM图像；（E–I）Co‑5Gr@Cu复合材料中（C）C、N、Cu、Co、O元素的EDS面扫结果；纯铜、5Gr/Cu及Co‑Gr/Cu复合材料的IPF成像与晶粒尺寸统计：（J）纯铜、（K）5Gr@Cu、（L）Co‑5Gr@Cu复合材料的EBSD取向图

图5 纯铜、1Gr/Cu、5Gr/Cu、10Gr/Cu 与 Co5Gr/Cu 复合材料性能对比图：(A) 密度，(B) 硬度，(C) 电导率，(D) 热导率

图6 纯铜、1Gr/Cu、5Gr/Cu、10Gr/Cu、Co5Gr/Cu 复合材料力学性能图：(A) 拉伸应变曲线，(B) 压缩应变曲线

图7 性能对比与机理示意图， （A）本研究与已有文献报道结果对比；（B）钴介导界面改性提升铜基复合材料导电、导热性能的原理示意图

03总结与展望

该团队的工作成功解决了铜基复合材料中长期存在的强度与导电/导热性能之间的制衡矛盾。更重要的是，该研究提出了一种“钴介导界面工程”的普适性策略：利用微量钴作为双功能催化剂，既催化高质量石墨烯的原位生成，又在金属-碳界面构建导电导热桥接层。该策略为金属基复合材料中第二相强化与界面散射之间的固有矛盾提供了全新的解决思路，不仅适用于石墨烯/铜体系，还有望拓展至铝、银等其他金属基复合材料体系以及碳纳米管、金刚石等碳基增强体体系，为高强高导高导热金属基复合材料的设计与制备奠定了坚实的理论和实验基础。

信息来源：

https://doi.org/10.1002/cmt2.70044