吴莹莹

（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏 苏州 215163）

铜及其合金因优良的导热性、导电性，良好的延展性、韧性、耐腐蚀性，受到广泛关注，应用于日常生活各个领域。但传统的铜及合金在高温性能、机械强度、摩擦性能、耐腐蚀等方面性能偏弱，已不能满足现代工业的要求。将铜和增强体制备成铜基复合材料是近年来铜材料研究领域的一大热点，可以弥补上述缺点。

石墨烯是一种新型的二维碳材料，具有优异的导电率、导热率，超高的力学性能和超大的比表面积，被认为是复合材料的理想增强体。近年来科研工作者对铜/石墨烯复合材料进行了较多的研究，本文主要阐述近期关于铜/石墨烯复合材料的最新研究进展，为科研学者们继续深入研究提供一定的参考。

1 铜/石墨烯复合材料的研究现状

根据增强效果的不同，铜/石墨烯复合材料研究主要集中在力学性能、耐磨性能、导热性能、导电性能、耐腐蚀性能等方向。

1.1 增强力学性能

朱威等借助分子级混合及均质机剥离共同作用，采用放电等离子体烧结（SPS)工艺制备了铜/还原氧化石墨烯复合材料。

测试复合材料的力学性能，结果表明随着氧化石墨烯含量的增加，复合材料压缩屈服强度值先增大后减小，当氧化石墨烯体积分数为2.4%时达到最大值481MPa，是纯铜相应值的3倍。当氧化石墨烯体积分数为0.6%时，硬度为纯铜硬度的1.7倍[1]。

凌自成等采用机械球磨湿磨法将石墨烯与纳米铜粉混合，然后通过等离子烧结(SPS)技术制备得到铜/石墨烯复合材料。研究表明，在0.5%石墨烯添加，球磨时间8h时，石墨烯在铜基体中有更好的结合和分布，性能改善相对最佳，其拉伸屈服强度为183MPa，较纯铜提高52.5%；压缩屈服强度为365MPa，提升近1.4倍；HV硬度也达到1350MPa[2]。

Chen等采用原位化学气相沉积和粉末冶金相结合的方法，制备了铜/石墨烯复合材料。首先通过共混球磨，将PMMA均匀分散在铜粉表面，然后采用化学气相沉积法在铜粉表面原位生长石墨烯，再通过粉末冶金热压烧结制备得到块体复合材料。石墨烯质量分数0.5wt.%的铜/石墨烯复合材料屈服强度和拉伸强度分布达到290MPa和308MPa，相比纯铜分别提高233%和35.7%[3]。

1.2 增强耐磨性能

左倩等通过SPS法制备得到铜/石墨烯复合材料，其中石墨烯含量为1.0vol%。石墨烯的加入可以很好地改善材料的摩擦性能，摩擦系数从纯铜的0.95降低至0.35。但铜石墨烯复合材料的相对密度较低[4]。

卢晓通等以化学镀结合粉末冶金法制备石墨烯/铜基复合材料(Cu@rGO/Cu)。Cu@rGO加入铜基体后有效改善了摩擦过程中的应力集中，使复合材料的摩擦性质更加稳定，耐磨性更好。当Cu@rGO的添加量为3%时复合材料具有最佳的摩擦性能，此时摩擦系数为0.28[5]。

1.3 增强导热性能

范增奇采用SPS技术制备得到铜/三维网络石墨烯复合材料。虽然复合材料的导电性能相较纯铜略有下降，但复合材料的热导率提升了15%，力学性能有所提高[6]。

王唯利用电泳沉积法制备得到铜/氧化石墨烯复合材料。在1g/L的少层氧化石墨烯水溶液中以60V的电压沉积5min时，得到的复合材料薄膜总厚度53.35μm，热导率最高达494W/(m·K)，相较于纯铜热导率提高24.1%，较商用薄膜最多提高11.5%[7]。

1.4 增强导电性能

侯宝森通过引入分散剂使铜粉隔离，防止铜粉在高温下产生粘接，再通过CVD在1000℃生长石墨烯，得到铜/石墨烯复合材料。导电、导热分别为96%IACS、384 W/(m·K)。室温下石墨烯/铜的接触电阻值比铜低14%，说明石墨烯能对界面的导电性有增强的效果，且这种效果随着温度升高更佳明显[8]。

李瑗茹研究了RGO/Cu材料的电接触特性。其制备的RGO/Cu复合材料最大电导率达到94.5%IACS。添加了0.02wt%RGO的合金材料在5000次电弧烧蚀测试后接触电阻约为600mΩ，相同条件下的纯合金材料的接触电阻为700mΩ[9]。

1.5 增强耐腐蚀性能

马琼采用常压化学气相沉积法在铜表面沉积石墨烯，制备得到铜/石墨烯复合材料，其抗腐蚀性能比纯铜箔的抗腐蚀性能提高了1个数量级。更进一步利用原子层沉积法在石墨烯表面沉积三氧化二铝钝化颗粒，对石墨烯的缺陷进行钝化处理，其耐腐蚀性能进一步提升[10]。

戴丹等采用化学气相沉积原位生长法结合分散剂工艺，制备得到铜/石墨烯复合材料粉体，再采用真空热压工艺，制备了块状铜/石墨烯复合材料，其导电率高达96%IACS。在过硫酸铵溶液中浸泡90min后，铜/石墨烯复合材料试样的质量损失为126.6mg,铜试样的质量损失为202.8mg，铜/石墨烯复合材料的抗刻蚀能力提高了37.6%[11]。

2 结论

石墨烯作为理想增强体材料，在增强铜基复合材料的力学性能、耐磨性能方面取得了显著的成果，但增强导电和导热方面的特性还没有明显的展示。一方面是因为技术不完善，实际制备出来的石墨烯往往存在很多缺陷，大大降低了石墨烯的性能优势，另外一方面是铜和石墨烯之间的界面问题影响了复合材料的导电导热性能的发挥。因此，为获得综合性能优秀的铜/石墨烯复合材料还需要更加深入的研究。