松山湖材料实验室《JMR&T》：综述！高导电石墨烯增强铜基复合材料的研究进展

材料分析与应用 · 公众号 · · 2024-11-22 16:31

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1 成果简介

提高金属的导电性仍然是一个关键挑战，因为它直接决定了电力电子系统的传输效率。石墨烯增强金属基复合材料因其优异的导电性和低温度电阻系数而受到广泛关注。本文，松山湖材料实验室付莹团队在《Journal of Materials Research and Technology》期刊发表名为“Progress of highly conductive Graphene-reinforced Copper matrix composites: A review”的论文， 深入研究了石墨烯和铜的内在物理特性，指出了开发高导电性复合材料的具体障碍 。尽管石墨烯和铜之间存在微弱的范德华相互作用，但还是阐明了铜和石墨烯之间的工作原理和相互作用机制 。本综述的主要重点是探讨通过不同的设计策略和加工技术提高铜/石墨烯复合材料导电性的方法。 更为复杂和关键的因素包括原材料的质量、加工技术、尺寸精度、晶体学取向以及石墨烯和铜之间的界面特性。此外，还讨论了铜/铬复合材料的研究空白和进一步发展趋势。

2 图文导读

图1. 2010 年至 2023 年在 Web of Science 中检索到的 Cu/ Gr 复合材料领域的论文数量。

表1. Cu/Gr 研究历史上爆发最强的 21 个关键词（红色）。

图2. 文章研究框架。

3 小结与展望

锗已被用作铜基复合材料的增强材料，以获得更高的机械性能和更好的导热性。近年来，对锗增强铜基复合材料电气性能的研究取得了重大进展，其中导电性成为研究的焦点。本研究全面回顾了铜/锗复合材料的电气性能和机械性能。鉴于二维 Gr 和三维 Cu 的物理结构特性不同，了解 Gr-Cu 界面至关重要。由于整体传输效率与栅基体、铜基体和界面的电荷注入有关，因此栅的质量、尺寸、排列方向和铜晶面指数等因素会显著影响界面接触电阻，从而影响整体电气性能。在此，我们回顾了通过制造工艺和表面处理提高复合材料电气性能的方法，旨在改善 Gr 与三维 Cu 基体之间的接触。加工工艺是控制缺陷、尺寸、含量、取向、界面相互作用和改性的关键因素。然而，要有效提高复合材料的性能，必须优化现有工艺路线的工艺参数。混合工艺路线可以克服单一工艺在实际应用中无法应对的挑战。精心选择和设计合成路线对于实现高性能、高成本效益的商业应用复合材料至关重要。

虽然本研究主要强调铜/锗复合材料的导电性和机械性能，但有必要强调的是，这些复合材料还具有优异的综合性能，包括高耐腐蚀性、低摩擦系数、高载流量和出色的导热性。这些特性使它们适用于集成电路引线框架、柔性电子器件、微电子设备冷却系统、高性能电线电缆、高频传输线和其他高频电子元件等先进应用领域。值得注意的是，在各种制备技术中，通过火花等离子烧结原位合成铜/锗复合材料因其工艺简单、省时，有利于大规模生产而特别值得关注。这种方法不仅能保持铂铑的质量，还能促进铂铑网络结构的形成，从而为电子和光子传输提供更多途径，提高复合材料的整体性能。此外，原位生产块状铜/锗材料还有助于通过热挤压和拉伸技术将其加工成铜/锗复合材料线，从而实现高性能复合材料线的大规模制造。未来，Cu/Gr 复合材料丝、箔和块状材料综合性能的提高将大大增强现有铜产品的性能，为新的应用开辟道路。因此，虽然提高铜/金刚石复合材料的导电性仍是首要目标，但全面提高其整体性能仍将是未来研究的重点，从而促进其在各个技术领域的应用拓展。

文献：

https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.11.076

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