原位构建金属-共价异质结：湍流冲击均匀铸造技术赋能高导热铜/石墨烯纳米片复合材料

随着人工智能、高性能计算芯片及5G/6G通信技术的迅猛发展，电子器件功率密度持续攀升，热管理已成为制约系统可靠性与寿命的核心瓶颈。传统热管理材料（如纯铜）虽具优异导电导热性，但其热导率（约400 W·m⁻¹·K⁻¹）已难以满足日益严苛的散热需求。石墨烯以其超越5300 W·m⁻¹·K⁻¹的本征面内热导率，被视为铜基热管理材料的理想增强相。然而，铜与石墨烯之间天然的界面不润湿性导致界面热阻居高不下，严重削弱了复合材料的热导率提升效率。现有界面改性手段（如粉末冶金、表面涂层）或受限于反应不充分、成本高昂，或因引入缺陷而损害石墨烯本征性能，亟需一种兼顾高效界面调控与规模化制备的新型技术路径。

2026年，中南大学龚深教授团队在国际期刊《Composites Communications》上发表题为“In-situ construction of metal-covalent heterojunction in high thermal conductivity Cu/graphene nanosheets composites via turbulence-shock homogeneous casting”的研究论文。该团队通过数据驱动筛选出Cr、Zr作为界面改性元素，并创新性地引入湍流冲击均匀铸造技术，在Cu/GNS复合材料中原位构建了Cu/ZrC/Cr₃C₂/C金属-共价异质结。所得Cu/20GNS复合材料在仅20 vol% GNS填充量下，水平与垂直热导率分别达到627.4 W·m⁻¹·K⁻¹和644.3 W·m⁻¹·K⁻¹，较纯铜提升超过60%，同时兼具211 MPa的弯曲强度与优异的可加工性。突破了传统粉末冶金与表面涂层工艺的局限，为先进热管理用高导热铜基复合材料的设计与制备提供了新范式。

01核心内容

该研究提出“湍流冲击均匀铸造”与“金属-共价异质结原位构建”协同策略，通过数据驱动筛选出Cr和Zr作为最优界面改性元素，并利用非接触式湍流搅拌（800 rpm）实现熔体与GNS 的均匀混合及超重力分散。其核心特征是在 GNS表面依次原位形成约150 nm厚的Cr₃C₂层和约30 nm厚的ZrC层，构建了从金属到共价碳材料的连续过渡异质结。该多尺度金属共价界面架构，一方面通过碳化物中间层将原本不润湿的Cu/GNS界面转化为牢固的化学键合，显著抑制了界面热阻；另一方面，湍流冲击诱导GNS沿晶界均匀分布，避免了团聚，同时超薄碳化物层在改善界面相容性的同时未引入过量附加热阻，从而实现了导热与力学性能的协同突破。

02研究成果

1、独特的金属-共价异质结界面微观结构

团队通过SEM、3D-CT、TEM及XPS等多尺度表征手段，系统揭示了复合材料微观结构特征：

（1）GNS晶界均匀分布：3D-CT重建与SEM观测表明，20 vol% GNS在Cu基体中沿晶界均匀、离散分布，无团聚现象，相对密度高达96.66%；

（2）原位碳化物界面层：TEM明场像及元素面分布显示，GNS表面依次被ZrC（~35 nm）与Cr₃C₂（~152 nm）连续包覆，形成Cu/ZrC/Cr₃C₂/C完整异质结，界面清洁致密，无孔隙或裂纹；

（3）明确的取向关系：HRTEM及FFT分析证实三层界面均具有平行晶面关系，有效缓解了晶格失配，降低了界面能；

（4）GNS结构完整性保持：Raman与XPS结果表明，提取后的GNS仍保持高结晶度（I_D/I_G=0.146），sp² C-C占主导地位，Cr与Zr主要以碳化物形式存在，未对GNS本征结构造成破坏。

2、卓越的热学与力学综合性能

具有金属-共价异质结的Cu/GNS复合材料展现出优异的热-力协同性能：

（1）超高导热性能：Cu/20GNS水平与垂直热导率分别达627.4 W·m⁻¹·K⁻¹和644.3 W·m⁻¹·K⁻¹，较纯铜分别提升60.87%和65.21%；红外热成像表明其加热与冷却速率显著快于纯铜及同类复合材料；

（2）最佳GNS填充量：TC随GNS含量增加先升后降，20 vol%为最优值，25 vol%时因GNS团聚及相对密度下降（降至~94%）导致TC回落，揭示了GNS分散状态对导热的关键影响；

（3）良好力学性能：Cu/20GNS弯曲强度达211 MPa，较Cu/10GNS（~170 MPa）提升明显，断口显示GNS桥接与良好界面结合，无脱粘或拔出；

（4）综合性能优势：与已报道的Cu/石墨烯、Cu/CF、Cu/DP复合材料相比，本研究在相当或更低填充量下实现了更高的热导率与力学性能组合，展现出显著的应用竞争力。

3、模型揭示的导热增强机制

团队基于EMA与DMM耦合模型，定量阐明了金属-共价异质结对导热增强的贡献：

（1）EMA模型精确拟合：考虑ITR、GNS形状与分布、基体TC等参数后，EMA模型预测值与实验结果高度吻合，显著优于简单的并联/串联模型；

（2）总ITR定量计算：依据串联热阻模型，Cu/20GNS总ITR为1.60×10⁻⁸ m²·K·W⁻¹，其中各界面卡皮查热阻（Cu/ZrC、ZrC/Cr₃C₂、Cr₃C₂/GNS）与碳化物层体热阻共同构成，较薄的异质结（ZrC 35 nm + Cr₃C₂ 152 nm）是实现低ITR的关键；

（3）影响因素敏感性分析：基体TC（30.0%）、GNS本征TC（27.7%）、界面结构（21.2%）及GNS含量（21.1%）是决定复合材料TC的四大要素，其中基体TC保持与界面优化同等重要；

（4）性能预测与设计准则：若GNS本征TC达5000 W·m⁻¹·K⁻¹，Cu/20GNS TC可望突破1000 W·m⁻¹·K⁻¹。碳化物层存在临界最大厚度--高于此值则ITC急剧下降；高本征TC碳化物（如ZrC）允许更厚的界面层，为工艺窗口优化提供了理论依据。

图1  基于数据驱动的界面改性元素X筛选流程。(a)元素X与C之间的形成能的统计分布；(b–c)元素X在Cu基体中的固溶度统计分布；(d)固溶0.02 wt%元素X对Cu电导率的影响；(e)元素X含量与界面反应温度的关联曲线。

图2  Cu-0.5Cr-0.5Zr/20GNS复合材料的制备工艺示意图。

图3  Cu/GNS复合材料的性能表征。(a, b) 复合材料沿水平方向和垂直方向的热扩散率及热导率；(c, d) Cu/GNS复合材料在加热和冷却过程中的温度-时间曲线；(e)纯Cu和Cu/20GNS复合材料在加热和冷却过程中的红外热成像图；(f) Cu/20GNS复合材料的弯曲应力-应变曲线；(g,h) Cu/20GNS复合材料的断口形貌与抗弯强度；(i,j) 本研究Cu/GNS复合材料与文献报道的Cu/CFs、Cu/DP和Cu/GF复合材料性能对比。

图4  Cu/GNS复合材料的微观结构。(a) Cu/20GNS复合材料的三维CT重构图像；(b, c) Cu/20GNS复合材料沿水平方向和垂直方向的SEM表面形貌；(d) Cu/20GNS复合材料内部孔隙尺寸分布直方图；(e) 四种复合材料的相对密度；(f, g) Cu/20GNS复合材料水平方向局部区域的SEM图像；(h)图(g)所示区域表面的元素分布图。

图5  GNS及其表面碳化物界面结构表征。(a–e) 不同放大倍数下原始GNS的SEM形貌；(f–g) 硝酸刻蚀后Cu/20GNS复合材料表面的SEM形貌及对应元素面分布图；(h–j)刻蚀后表面覆盖碳化物的GNS放大SEM形貌；(k–l)从Cu/20GNS复合材料中提取的GNS粉末形貌及对应元素面分布图；(m–o)提取后GNS及其表面碳化物的高倍SEM形貌。

图6  Cu/20GNS复合材料中提取GNS的结构与化学组成表征。(a, b) 从Cu/20GNS复合材料中提取的GNS粉末的拉曼光谱和XRD图谱；(c)原始GNS与从Cu/20GNS复合材料中提取GNS的全谱XPS谱图；原始GNS的XPS谱图：(d) C 1s谱；(e) O 1s谱；从Cu/20GNS复合材料中提取GNS的XPS谱图：(f) C 1s谱；(g) Cr 2p谱；(h) Zr 3d谱。

图7  (a) Cu/GNS界面的TEM明场像；(b)图(a)中标示区域的元素线扫描曲线；(c)图(a)所示Cu/GNS界面的元素分布图；(d1-g2)区域d、e、f和g的高分辨TEM（HRTEM）图像及对应快速傅里叶变换（FFT）图谱。

图8  界面取向关系分析。(a) Cu/20GNS界面放大TEM明场图像；(b, f, j) 界面A、B和C处的HRTEM图像；(e, i, m) 界面A、B和C处对应的FFT图谱；(c, d) 界面A处ZrC与Cu的IFFT分析；(g, h) 界面B处Cr3C2与ZrC的IFFT分析；(k, l) 界面C处GNS与Cr3C2的IFFT分析。

图9  Cu/GNS复合材料热导率模型分析。(a) 有效介质近似（EMA）模型示意图；(b)串联模型和并联模型计算结果；(c) EMA模型计算结果与实验结果的对比。

图10  影响复合材料热导率因素的分析。(a)四种影响因素的敏感性分析；(b, c) 复合材料热导率分别随GNS本征热导率和Cu基体本征热导率的变化关系；(d)复合材料界面热导率与典型界面结构的对比；(e)复合材料热导率随碳化物中间层厚度的变化关系；(f)不同碳化物中间层的界面热导率随中间层厚度的变化关系；(g)基于EMA模型预测的不同碳化物中间层的临界最大厚度。

03总结与展望

团队的这项工作成功解决了铜/石墨烯复合材料中因界面润湿性差导致的低导热瓶颈，更重要的是，提出了一种通过数据驱动元素筛选 + 湍流冲击均匀铸造来原位构筑金属共价异质结的普适性新策略。该策略在相对较低填料量（20 vol%）下即可实现导热与强度的优异结合，且工艺简洁、成本可控，易于规模化。所建立的 DMMEMA 理论框架为金属/碳复合材料界面热阻的定量设计与优化提供了实用指南。该策略可推广至其他碳/金属复合材料体系（如Cu/金刚石、Cu/碳纤维、Al/GNS等），为高功率芯片、数据中心、电力电子等领域的先进热管理材料开发提供了理论指导与工艺参考。

信息来源：

https://doi.org/10.1016/j.coco.2026.102895