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随着5G通信、电子封装和航空航天等领域的快速发展，传统热管理材料已难以满足高导热、低热膨胀和轻量化的综合需求。石墨片（GF）因其超高面内导热系数（约700 W/(m·K)）和低热膨胀系数被视为理想增强相，但石墨与铝之间润湿性差、界面结合弱，且易生成脆性Al₄C₃相，严重制约了复合材料性能的发挥。如何通过界面工程实现石墨片/铝复合材料导热与力学的协同提升，成为该领域的关键挑战。
2026年，沈阳理工大学刘俊泽、杜晓明等人与辽宁大学杨全占合作，在国际权威期刊 《Composite Interfaces》 上发表了一篇题为“Fabrication, mechanical and thermal properties of copper-coated graphite flakes reinforced aluminum matrix composites” 的研究论文。该研究采用化学镀铜对石墨片进行表面改性，并通过真空热压烧结制备了Cu-GF/Al复合材料。研究表明，铜包覆层有效改善了石墨片与铝基体的界面结合，抑制了有害Al₄C₃相的形成，在60 vol% Cu-GF添加量下实现了 500.7 W/(m·K) 的高导热系数和 9.8×10⁻⁶ K⁻¹ 的低热膨胀系数，同时弯曲强度较未包覆GF/Al复合材料显著提升。该工作为高导热、低膨胀铝基复合材料的界面设计与性能优化提供了系统的实验依据和理论指导。
01核心内容
该研究提出了一种“铜包覆界面改性”策略，通过化学镀在石墨片表面均匀沉积铜层，再经真空热压烧结制备Cu-GF/Al复合材料。铜包覆层在热压过程中与铝基体发生界面扩散反应，原位生成Al-Cu金属间化合物（AlCu、Al₂Cu、Al₄Cu₉等），形成连续冶金结合的过渡界面。该界面结构不仅有效抑制了Al₄C₃脆性相的形成，还通过改善润湿性和增强界面结合强度，实现了导热性能与力学性能的协同提升。研究系统考察了石墨片体积分数（10%~60%）和铜包覆层对复合材料微观结构、界面行为、弯曲强度、导热系数、热膨胀系数和导电率的影响规律。
02研究成果
1、铜包覆石墨片的成功制备与界面优化
团队通过化学镀工艺在石墨片表面均匀沉积铜层，SEM和XRD分析证实了铜涂层的成功施加。微观结构表征显示：
（1）均匀致密的铜涂层：铜涂层均匀覆盖石墨片表面，形成致密层，有效防止了有害界面反应。EDS分析确认了铜元素在石墨片表面的均匀分布。
（2）界面结构显著改善：TEM分析表明，GF/Al复合材料界面存在约6 nm厚的非晶过渡层，而Cu-GF/Al复合材料的界面过渡层宽度增加至14 nm，且呈现更加曲折的冶金结合界面。Al-Cu化合物（Al₂Cu等）在界面处原位生成，取代了GF/Al复合材料中的Al-O-C界面。
（3）有害相有效抑制：XRD分析表明，两种复合材料中均未检测到Al₄C₃相。610℃的热压温度低于Al6061合金熔点，且使用近100%石墨化的稳定石墨片，有效抑制了Al₄C₃的形成。
2、弯曲强度的显著提升
Cu-GF/Al复合材料的弯曲强度较GF/Al复合材料表现出显著改善：
（1）界面强化效果突出：Cu-GF/Al复合材料中，铜涂层促进了界面处共价键的形成，增强了结合强度。铜与铝基体的润湿性优于石墨与铝，热压过程中形成的Al-Cu化合物产生了第二相强化和位错强化，进一步提升了界面强度。
（2）弯曲强度对比：GF/Al和Cu-GF/Al复合材料的弯曲强度均随GF体积分数增加而下降，但Cu-GF/Al复合材料在相同GF含量下始终高于GF/Al复合材料。
（3）断口形貌分析：Cu-GF/Al复合材料断口中未观察到GF与Al之间的可见裂纹，阶梯状GF变形表明铜涂层通过其延性吸收变形能，并通过界面过渡促进载荷传递，有效抑制了微裂纹沿界面扩展。
3、导热性能的协同优化
Cu-GF/Al复合材料在X-Y方向实现了优异的导热性能：
（1）导热系数显著提升：随着Cu-GF体积分数从10%增加至60%，复合材料在X-Y平面的导热系数从292 W/(m·K)提升至500.7 W/(m·K)。在50% Cu-GF体积分数下，X-Y方向导热系数达到445 W/(m·K)，较6061铝合金（186 W/(m·K)）提高了139%。
（2）各向异性导热特征：Z方向导热系数随GF含量增加而显著降低，从186.2 W/(m·K)降至27.4 W/(m·K)，体现了石墨片固有的各向异性导热特性。
（3）界面热阻降低： 铜涂层改善了GF与Al之间的润湿性，减少了界面缺陷，Al-Cu化合物界面取代Al-O-C界面，有效降低了界面热阻，增强了界面处的载流子传输能力。
4、热膨胀系数的有效调控
Cu-GF/Al复合材料表现出优异的热膨胀系数调控效果：
（1）热膨胀系数显著降低： 随着Cu-GF体积分数增加，CTE从17.93×10⁻⁶ K⁻¹降低至9.8×10⁻⁶ K⁻¹，更符合混合法则的理论预测。
（2）界面约束效应增强：铜涂层提高了复合材料密度，有效解决了高体积分数Cu-GF/Al复合材料中的孔隙率问题，改善了基体与增强体沿平行基板方向的约束膨胀。
（3）与已有研究对比： 相比于Zhou等人采用压力浸渗工艺制备的GF/Si/Al复合材料（CTE从12.1×10⁻⁶ K⁻¹降至7.3×10⁻⁶ K⁻¹），本研究的Cu-GF/Al复合材料在CTE调控方面同样表现出显著优势。
5、导电率的规律性变化
Cu-GF/Al复合材料的导电率随GF体积分数增加呈下降趋势：
（1）导电率变化规律：与相同GF体积分数的GF/Al复合材料相比，Cu-GF/Al复合材料在X-Y方向的导电率分别降低了11.03%、11.83%、13.61%和37.76%。
（2）界面散射机制：铜包覆后经热压处理的Cu-GF/Al复合材料界面宽度增加，影响了通过界面的电子传输。Cu和GF之间导电性的差异以及界面接触密度的增加导致更多电子散射中心的形成，从而降低了导电率。
图1 导热系数和热膨胀系数取样位置示意图。
图2 GF的微观结构：(a) 原始GF的SEM图像；(b) Cu-GF的SEM图像；(c) Cu-GF的XRD图谱。
图3 GF/Al和Cu-GF/Al复合材料的微观结构：(a) 30 vol% GF；(b) 30 vol% Cu-GF；(c) 50 vol% GF；(d) 50 vol% Cu-GF。
图4 30 vol% GF/Al复合材料界面的TEM分析：(a) C-Al界面；(b) 界面HRTEM及所选区域的FFT结果。
图5 30 vol% Cu-GF/Al复合材料界面的TEM分析：(a) 明场像；(b) 界面HRTEM；(c) 富铜相/GF界面；(d) AlCu衍射斑点。
图6 HAADF和STEM mapping图像：(a) GF/Al；(b) Cu-GF/Al复合材料。
图7 GF/Al复合材料的弯曲强度（制备态）：(a) 本研究实验结果；(b) 与现有文献数据的对比分析。
图8 GF/Al和Cu-GF/Al复合材料的弯曲断口形貌：(a) 10 vol% GF；(b) 10 vol% Cu-GF；(c) 50 vol% GF；(d) 50 vol% Cu-GF。
图9 50 vol% Cu-GF/Al复合材料的EDS分析：(a) 断口形貌；(b) 相应元素分布；(c) 定量元素组成。
图10 Cu-GF/Al和GF/Al复合材料的导热系数随体积分数的变化：(a) 面内方向；(b) 贯通面方向。
图11 本研究导热系数（TC）实验结果与文献的对比。
图12 GF/Al和Cu-GF/Al复合材料的热膨胀行为：(a) GF/Al复合材料CTE尺寸变化率；(b) 不同温度下GF/Al复合材料的CTE。
图13 GF/Al和Cu-GF/Al复合材料的CTE。
图14 GF/Al和Cu-GF/Al复合材料的导电率。
03总结与展望
该工作通过化学镀铜对石墨片进行表面改性，并结合真空热压烧结制备了Cu-GF/Al复合材料，得出以下核心结论：
（1）界面改性效果显著： 铜包覆层有效改善了石墨片与铝基体的界面结合，抑制了有害Al₄C₃相的形成，界面过渡层从6 nm增至14 nm，形成了连续冶金结合的Al-Cu化合物界面。
（2）综合性能协同提升： 60 vol% Cu-GF/Al复合材料的导热系数达到500.7 W/(m·K)，热膨胀系数降低至9.8×10⁻⁶ K⁻¹，弯曲强度较GF/Al复合材料显著提升，实现了高导热与低热膨胀的协同。
（3）导电率规律明确：Cu-GF/Al复合材料的导电率随GF体积分数增加而降低，与界面宽度和界面数量的增加相关，但界面宽度与导电率之间的定量关系仍需进一步研究。
该研究为高导热、低膨胀铝基复合材料的界面设计与性能优化提供了系统的实验依据。未来研究可进一步聚焦于界面结构的精细调控、铜涂层厚度的优化以及复杂服役环境下复合材料性能演变规律的探索，推动高性能铝基热管理材料在电子封装和航空航天领域的实际工程应用。
信息来源：https://doi.org/10.1080/09276440.2025.2505358
