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随着5G通信、功率电子器件和航空航天等领域的快速发展，对兼具高导热与良好力学性能的热管理材料需求日益迫切。石墨片（GF）增强铜基复合材料因其石墨面内超高的本征导热系数（约1500 W/(m·K)）和与半导体器件匹配的热膨胀系数，被认为是下一代高性能热管理材料的理想候选。然而，石墨片与铜基体之间的界面热阻大、润湿性差，且石墨片在基体中的取向难以精确控制，导致复合材料的实际导热性能远低于理论预测值。尤其是石墨片取向的随机性会严重削弱其面内导热优势，造成复合材料导热性能的显著各向异性。因此，系统研究铜粉形态和石墨片含量对石墨片取向及导热性能的影响规律，对于高性能热管理材料的可控制备具有重要意义。
2026年，S. Zhou、J.N. Ma、Q.W. Zhou、G.L. Li、Y.D. Qu、F. Yang等人在国际权威期刊 《Diamond and Related Materials》 上发表了题为 “Effect of copper powder morphology and graphite flakes content on the graphite flakes orientation and thermal conductivity of Cu/GF composites” 的研究论文。该研究系统比较了不规则块状铜粉与枝晶状铜粉对石墨片取向的影响，并系统揭示了石墨片体积分数（20~70 vol%）对取向分布及导热性能的调控机制。研究发现，采用枝晶状铜粉并控制石墨片体积分数为30 vol%时，复合材料实现了581 W/(m·K)的面内导热系数、87.98 MPa的抗弯强度以及优异的高温导热稳定性，为高导热铜/石墨复合材料的性能优化与工程应用提供了系统的理论指导和工艺方案。
01核心内容
该研究提出了“铜粉形态调控石墨片取向”的制备策略，通过对比不规则块状铜粉与枝晶状铜粉对石墨片取向行为的影响，并结合不同石墨片体积分数的系统实验，揭示了铜粉形态与石墨片含量对复合材料微观结构、致密化行为、取向分布及导热/力学性能的作用规律。研究采用热压法制备Cu/GF复合材料，并利用Image-J软件对SEM图像进行统计分析，构建了石墨片取向角分布图谱；同时结合有效介质近似（EMA）理论模型，建立了“取向分布-导热性能”的定量关联，为优化铜基体中石墨片的空间取向、实现导热与力学性能的协同提升奠定了理论基础。
02研究成果
1、铜粉形态对石墨片取向及导热性能的影响
通过对比不规则块状铜粉（IB-Cu）与枝晶状铜粉（D-Cu）制备的Cu/30GF复合材料，研究发现：
（1）石墨片取向有序性差异显著： IB-Cu/30GF复合材料中石墨片呈相对无序的弯曲状态，取向一致性较差；而D-Cu/30GF复合材料中石墨片呈明显的定向平行排列，取向有序性显著提升。枝晶状铜粉在热压过程中具有更好的变形能力，能够促进石墨片沿垂直于热压方向的X-Y平面形成择优取向。
（2）界面缺陷控制： IB-Cu/30GF复合材料在石墨片/铜界面处可观察到微裂纹，相对密度仅为95.8%；而D-Cu/30GF复合材料界面清洁致密，无显著缺陷，相对密度达到97.8%。
（3）导热性能显著提升： D-Cu/30GF复合材料的热扩散系数（177.974 mm²/s）和导热系数（581 W/(m·K)）均显著高于IB-Cu/30GF复合材料（140.859 mm²/s和453 W/(m·K)），导热系数提升幅度达28.3%。
2、石墨片体积分数对微观结构及性能的调控规律
团队系统制备了石墨片体积分数为20~70 vol%的D-Cu/xGF系列复合材料，研究发现：
（1）微观结构演变： 当GF含量≤50 vol%时，石墨片均匀分散于铜基体中，无明显缺陷；当GF含量增至60 vol%时，石墨片出现明显弯曲和团聚现象；当GF含量达70 vol%时，石墨片严重堆垛团聚，相对密度骤降至82%。
（2）取向分布定量化： 通过Image-J软件统计测量石墨片取向角，发现D-Cu/30GF复合材料的〈cos²θ〉值高达0.8122，为所有组分中最高，表明其石墨片择优取向程度最优。随着GF体积分数增加，取向角分布逐渐分散，〈cos²θ〉值从D-Cu/20GF的0.7845降至D-Cu/60GF的0.5680。
（3）力学性能变化： 复合材料的抗弯强度随GF含量增加而线性下降，D-Cu/20GF具有最高抗弯强度97.21 MPa，D-Cu/30GF仍保持87.98 MPa的高强度，而D-Cu/70GF急剧降至仅5.70 MPa。
（4）导热性能各向异性： X-Y平面导热系数随GF含量增加而升高，D-Cu/70GF达到688 W/(m·K)；但Z方向导热系数随GF含量增加而逐渐降低，表现出显著的各向异性特征。
3、D-Cu/30GF复合材料的优异综合性能
综合比较各组分性能，D-Cu/30GF复合材料表现出最佳的综合性能：
（1）最优的石墨片取向分布：〈cos²θ〉值达0.8122，为所有组分中最高，EMA模型预测其导热系数达到理论最大值的95%，表明石墨片的强化效率得到了充分发挥。
（2）优异的导热-力学协同： 同时实现了581 W/(m·K)的面内导热系数和87.98 MPa的抗弯强度，克服了高导热复合材料通常力学性能差的缺陷。
（3）出色的高温稳定性： 在室温至300°C范围内，D-Cu/30GF复合材料的导热系数下降率仅为33%，远低于D-Cu/70GF的64%。经50次热循环测试后，其室温导热系数仍稳定在580 W/mK以上，展现出优异的高温可靠性。
（4）与已有研究的性能对比： 相比于已有文献报道的Cu/GF复合材料，本研究中GF含量低于50 vol%的复合材料在导热性能方面具有明显优势，验证了取向调控策略的有效性。
4、取向-导热关联机制与理论验证
团队利用有效介质近似（EMA）模型对复合材料的导热系数进行了理论预测和验证：
（1）取向主导导热效率： 高度取向的石墨片能够最大化利用其面内超高的本征导热系数（1500 W/(m·K)），为声子传输构建连续低阻通道。当石墨片取向角与热流方向夹角小于56.6°时，石墨才能有效提升复合材料导热性能。
（2）理论-实验对比验证： D-Cu/30GF复合材料的实验导热系数（581 W/(m·K)）超过EMA理论预测值的90%。随着GF含量增加，取向角分布趋于分散，实验值逐渐偏离理论预测，证实了取向有序性对导热性能的关键作用。
（3）结构-性能定量关联： 通过将实测取向分布函数ρ(θ)代入EMA模型，建立了“铜粉形态→石墨片取向分布→导热性能”的完整定量关联，为复合材料性能预测与工艺优化提供了理论工具。
图1 原材料的微观结构：(a) 不规则块状铜粉；(b) 枝晶状铜粉；(c) 石墨片。
图2 Cu/GF复合材料制备流程示意图。
图3 不同形状铜粉制备的Cu/GF复合材料的SEM图像：(a) 不规则块状；(b) 枝晶状；(a1)和(b1)为复合材料界面的光学显微照片。
图4 不同石墨片含量下D-Cu/GF复合材料的SEM图像：(a) 20 vol% GF；(b) 30 vol% GF；(c) 40 vol% GF；(d) 50 vol% GF；(e) 60 vol% GF；(f) 70 vol% GF。
图5 不同石墨含量的D-Cu/GF复合材料的XRD图谱。
图6 不同形状铜粉制备的Cu/GF复合材料的性能对比。
图7 不同石墨片含量的Cu/GF复合材料的性能：（a）密度；（b）弯曲应力-应变曲线。
图8 不同石墨片含量的D-Cu/GF复合材料的导热系数：（a）X-Y平面；（b）Z方向。
图9 D-Cu/GF复合材料的高温导热性能：（a）复合材料在不同温度下的热扩散系数；（b）复合材料在不同温度下的导热系数；（c）复合材料在25°C至300°C之间热扩散系数（TD）和导热系数（TC）的变化值与变化率；（d）D-Cu/30GF经50次热循环后的热扩散系数与导热系数。
图10 本研究所制备的Cu/GF复合材料与已发表研究中复合材料导热系数的比较。
图11 Cu/GF复合材料中石墨片的取向角分布。
图12 理论导热系数与实验导热系数的比较。
03总结与展望
该工作通过系统研究铜粉形态和石墨片含量对Cu/GF复合材料中石墨片取向及导热性能的影响，得出以下核心结论：
（1）铜粉形态关键作用： 枝晶状铜粉相较于不规则块状铜粉，能够更有效地促进石墨片在热压过程中形成择优取向，D-Cu/30GF复合材料的导热系数较IB-Cu/30GF提高了28.3%。
（2）最佳组分确定： D-Cu/30GF复合材料具有最优的取向分布（〈cos²θ〉=0.8122），实现了581 W/(m·K)的面内导热系数、87.98 MPa的抗弯强度以及优异的高温稳定性，综合性能显著优于其他组分。
（3）取向-性能定量关联： 石墨片的择优取向是充分发挥其本征高导热特性、实现复合材料导热性能最大化的关键前提。EMA理论模型结合实测取向分布函数可有效预测复合材料导热性能。
该研究不仅为高导热铜/石墨复合材料的组分优化与工艺设计提供了系统的理论依据和实验数据，也为其他各向异性增强体（如碳纤维、碳纳米管、氮化硼等）增强金属基复合材料的结构调控与性能优化提供了可借鉴的研究思路。未来研究可进一步聚焦于石墨片/铜界面的化学改性、三维定向排列结构的构建以及复杂服役环境下复合材料性能演变规律的探索，推动高导热金属基复合材料在先进热管理领域的实际工程应用。
信息来源：https://doi.org/10.1016/j.diamond.2026.113582
