Ti涂层调控界面结构实现石墨烯铝复合材料热-力性能协同提升

随着5G通信、人工智能芯片及功率电子器件向高集成度、小型化方向飞速发展，器件热流密度急剧攀升，热管理已成为制约其可靠性与寿命的关键瓶颈。研究表明，芯片温度每升高10℃，可靠性下降约50%。因此，开发兼具超高导热性与良好力学性能的热管理材料迫在眉睫。碳材料（如石墨烯、金刚石）虽拥有极高的本征导热系数，但其与金属基体（尤其是铝）的界面润湿性差、易生成脆性相，导致复合材料实际性能远低于理论预期。如何在充分发挥碳材料导热优势的同时，确保结构完整性，是领域内长期未能解决的核心难题。

2026年，北京航空航天大学郑瑞晓副教授、马朝利教授团队联合中国航发北京航空材料研究院、北京石墨烯技术研究院，在《Vacuum》发表题为“Effect of Ti coating on thermal conductivity and mechanical properties of graphene/aluminum composites”的研究论文。团队通过磁控溅射在石墨烯表面可控沉积Ti涂层，经真空热压烧结制备出层状石墨烯/铝复合材料。烧结过程中Ti涂层与Al原位反应生成Al₃Ti过渡层，该结构在维持847 W/(m·K)高面内热导率的同时，使抗弯强度提升54.5%至68 MPa，面外热导率可控调节，成功打破了碳/铝复合材料中长期存在的“导热-强度”倒置关系。

01核心内容

该研究提出了一种“可控Ti界面反应工程”策略，通过磁控溅射在石墨烯薄膜表面沉积不同厚度（130~520 nm）的Ti层，随后与Al箔交替叠层并进行真空热压烧结。烧结过程中，Ti层与Al基体发生固态反应，原位生成具有双尺度晶粒结构的Al₃Ti过渡层。该过渡层靠近Al侧为约600 nm的粗晶区，靠近石墨烯侧为小于100 nm的纳米晶区，这种独特结构源于溅射过程中引入的微量氧的富集。Al₃Ti层作为“结构适配器”，其弹性模量介于石墨烯与Al之间，有效协调了软硬两相的变形；同时，其与两侧基体形成共格/半共格界面，显著增强了界面结合强度。该策略的核心在于：利用界面反应层实现强结合，同时允许面内方向保持低热阻的连续导热通道，从而在提升力学性能的同时，几乎不牺牲面内导热能力。

02研究成果

1、可控双尺度Al₃Ti界面层的构筑

团队利用磁控溅射与真空热压烧结工艺，成功在石墨烯/Al界面原位生成了厚度可控的Al₃Ti过渡层。微观结构表征显示：

（1）双尺度晶粒结构：Al₃Ti层靠近Al侧为粗晶区（~600 nm），靠近石墨烯侧为纳米晶区（<100 nm），这种梯度结构源于氧元素在石墨烯侧富集对晶粒长大的抑制。

（2）清洁致密的界面：HRTEM及SAED证实，Al/Al₃Ti及Al₃Ti/石墨烯界面均清洁致密，无Al₄C₃脆性相生成，且存在明确的晶体学取向关系，界面结合良好。

（3）过渡层厚度可控：通过调节Ti溅射时间（20~80 min），Al₃Ti层厚度可在0.68~1.61 μm范围内线性调控，为性能优化提供了工艺窗口。

（4）氧的分布特征：EDS面扫描显示O主要富集于石墨烯薄膜及Al₃Ti过渡层内，且随溅射时间延长而增加，证实了磁控溅射过程中微量氧的引入是形成纳米晶区的关键。

2、热导率与抗弯强度的协同优化

具有Al₃Ti界面层的石墨烯/Al复合材料在热学和力学性能上均实现了显著突破：

（1）面内热导率保持高位：GR/Al-Ti80样品面内热导率达847 W/(m·K)，较未涂层样品（826 W/(m·K)）仅提升2.5%，但已逼近混合法则理论值（851 W/(m·K)），表明Al₃Ti层未对面内导热通道构成明显阻碍。

（2）面外热导率可控降低：面外热导率随Al₃Ti层增厚由7.1 W/(m·K)降至5.2 W/(m·K)（降幅26.8%），与声学失配模型预测趋势一致，归因于Al₃Ti本征低热导率及新增界面的声子散射。

（3）抗弯强度大幅提升：GR/Al-Ti80抗弯强度达68 MPa，较未涂层样品（44 MPa）提升54.5%。Al₃Ti层通过强化界面结合及协调变形，显著提高了复合材料的抗弯能力。

（4）失效模式转变：弯曲断口分析表明，失效模式从石墨烯层内脆性开裂逐渐转变为界面分层，后者为更“温和”的损伤形式，对应弯曲曲线末端出现锯齿状波动，体现了韧性的改善。

3、界面热传导的理论建模与实验验证

团队采用声学失配模型（AMM）对复合材料的面外热导率进行了理论预测：

（1）模型与实验高度吻合：未涂层样品的面外热导率实测值（7.1 W/(m·K)）与模型预测值（7.3 W/(m·K)）偏差仅2.7%；Ti涂层样品的实测值约为模型预测值的88%，偏差稳定在12%左右，验证了模型的有效性。

（2）定量揭示界面热阻来源：Al₃Ti层对面外热导率的抑制作用可分解为三个部分：Al/Al₃Ti界面热阻、Al₃Ti/石墨烯界面热阻及Al₃Ti层本征热阻。模型计算表明，随着Al₃Ti层增厚，其本征热阻贡献占比显著上升。

（3）指导性设计准则：该模型为后续界面层厚度优化提供了理论工具，可在保证力学性能的前提下，尽可能降低面外热导率的损失。

图1  Ti涂层石墨烯薄膜的表面形貌与元素分布。（a）-（d）分别为Ti溅射时间为0 min、20 min、40 min和80 min时石墨烯薄膜表面的SEM图像；（e）-（g）为（d）图中对应的C、O、Ti元素的EDS面扫描分布图；（h）C、O、Ti原子分数随Ti溅射时间的变化趋势

图2  石墨烯/铝基复合材料横截面的SEM图像及对应的EDS面扫描结果

图3  Ti过渡层厚度随溅射时间的变化规律

图4  不同溅射时间下石墨烯/铝基复合材料的XRD图谱

图5  GR/Al-0样品的TEM图像：（a）低倍率图像，显示Al与石墨烯之间的界面结构；（b）-（e）为（a）图中对应的HAADF图像及EDS面扫描分布图；（f）为（a）图中区域1的HRTEM图像；（g）为（a）图中区域2的HRTEM图像

图6  GR/Al-Ti80样品的TEM图像：（a）低倍率图像，显示Al与石墨烯之间的界面结构；（b）-（f）为（a）图中对应的HAADF图像及EDS面扫描分布图；（g）为（a）图中区域1和区域2位置的EDS元素定量结果；（h）为（a）图中区域1的HRTEM图像；（i）为（a）图中区域2的HRTEM图像

图7  石墨烯/铝基复合材料热导率随Ti溅射时间的变化曲线

图8 （a）不同Ti溅射时间下石墨烯/铝基复合材料的抗弯强度-位移曲线；（b）石墨烯/铝基复合材料抗弯强度随Ti溅射时间的变化趋势

图9  不同Ti溅射时间下石墨烯/铝基复合材料弯曲断口的SEM图像

图10  石墨烯/铝基复合材料热导率的实测值与模型预测值对比

03总结与展望

本工作通过磁控溅射结合真空热压烧结，在石墨烯/Al界面成功构筑了可控的Al₃Ti双尺度过渡层，同时实现了高面内热导率（847 W/(m·K)）与高抗弯强度（68 MPa）的协同提升。Al₃Ti层通过强化界面结合与协调变形显著增强了力学性能，而面内导热通道基本不受影响，仅面外方向因额外界面热阻有所降低--这恰好契合了热管理材料“面内高效传热、面外适度隔热”的应用需求。声学失配模型对热导率的精确预测为后续界面定量设计提供了可靠工具。

该界面工程策略不仅适用于石墨烯/Al体系，更有望推广至其他碳/金属复合材料（如金刚石/Cu、石墨/SiC等），为解决异质材料界面匹配这一共性科学问题提供了新思路。未来，通过进一步优化Ti沉积工艺、调控Al₃Ti层的晶粒尺寸与取向，以及在真实器件环境中验证长期热循环可靠性，该技术有望在下一代高功率电子封装、航空航天热管理等领域实现工程化应用。

信息来源：

https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2026.115528