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在材料科學(xué)的舞臺(tái)上，石墨烯與銅的 “相遇” 正上演著一場(chǎng)奇妙的化學(xué)反應(yīng)。一個(gè)是被譽(yù)為 “萬(wàn)能材料” 的二維碳納米片，一個(gè)是人類文明中最常用的金屬之一，當(dāng)它們結(jié)合在一起，會(huì)碰撞出怎樣的火花？

一、為什么讓石墨烯 “包裹” 銅？

銅，以優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性著稱，是電子器件、電力系統(tǒng)的 “標(biāo)配” 材料。但它有個(gè)明顯短板：力學(xué)性能較弱，易氧化腐蝕，限制了在高端領(lǐng)域的應(yīng)用。而石墨烯，作為單層碳原子構(gòu)成的二維晶體，不僅擁有超高強(qiáng)度（是鋼的 200 倍）、優(yōu)異的導(dǎo)電性（載流子遷移率達(dá) 2×10? cm2/(V?s)）和導(dǎo)熱性，還能像 “保鮮膜” 一樣隔絕氧氣和水分子。

科學(xué)家們想到：如果用石墨烯像 “盔甲” 一樣包覆銅粉，形成核殼結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，豈不是能讓銅同時(shí)擁有 “鋼鐵般的強(qiáng)度” 和 “一如既往的導(dǎo)電熱情”？這一想法催生了石墨烯包銅材料的研究熱潮。

石墨烯包覆銅粉復(fù)合材料制備原理圖

二、石墨烯如何賦予銅 “超能力”？

1.核殼結(jié)構(gòu)：1+1>2 的協(xié)同效應(yīng)

石墨烯包覆銅粉的核心是形成 “銅核—石墨烯殼” 的結(jié)構(gòu)。石墨烯的碳原子六元環(huán)與銅晶格通過 π-d 軌道雜化 “握手”，界面結(jié)合力極強(qiáng)。這種結(jié)構(gòu)帶來(lái)多重優(yōu)勢(shì)：

力學(xué)強(qiáng)化：石墨烯的載荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)和位錯(cuò)釘扎作用，讓銅的抗拉強(qiáng)度提升 10.94%，屈服強(qiáng)度飆升 114.88%。

導(dǎo)電導(dǎo)熱升級(jí)：石墨烯的離域電子網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化了電子傳輸路徑，美國(guó)西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)，添加 18ppm 石墨烯的銅復(fù)合材料，電阻溫度系數(shù)降低 11%，電導(dǎo)率接近純銅理論極限。

石墨烯包裹 Cu 2＋1 O/Cu 復(fù)合電極在 50 mA?g－1 電流密度下的循環(huán)性能曲線

防腐抗氧化：石墨烯的單原子層像 “盾牌”，將銅的防腐壽命提升至室溫下 5 年以上、200℃高溫下 1000 小時(shí)以上，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn) 1000 倍。

2.制備技術(shù)：從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)化的跨越

實(shí)現(xiàn)均勻包覆的關(guān)鍵在于制備工藝。

目前主流方法包括：

原位化學(xué)氣相沉積（CVD）：在銅粉表面直接生長(zhǎng)石墨烯層，層數(shù)可控，缺陷少。例如，通過 CVD 技術(shù)在銅粉表面包覆 0.04%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的石墨烯，可使銅的摩擦系數(shù)降低 38.7%，磨損率下降 68.6%。

熱擠壓法：美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室采用該方法，將低缺陷密度石墨烯嵌入銅基體，當(dāng)添加 15ppm 石墨烯時(shí)，電導(dǎo)率比純銅提升 2.7%，且避免了傳統(tǒng)方法中石墨烯團(tuán)聚和界面缺陷的問題。

三、石墨烯包銅的 “用武之地”

這種 “剛?cè)岵?jì)” 的復(fù)合材料，正在多個(gè)領(lǐng)域嶄露頭角：

電子信息領(lǐng)域：作為高導(dǎo)電銅電子漿料，用于芯片封裝、電路布線，解決散熱和電磁干擾問題；石墨烯包銅引線框架可提升電子器件的可靠性。

先進(jìn)制造領(lǐng)域：3D 打印中，石墨烯涂層將銅粉反射率降低 67%，實(shí)現(xiàn)高密度打印，部件孔隙率減少 30% 以上，且更輕更薄。

能源與交通領(lǐng)域：高導(dǎo)熱性使其成為新能源電池散熱材料的首選；在軌道交通中，石墨烯包銅觸頭材料抗電弧侵蝕性提升 40%，壽命延長(zhǎng)至傳統(tǒng)材料的 2 倍。

盡管前景光明，石墨烯包銅的大規(guī)模應(yīng)用仍面臨挑戰(zhàn)：石墨烯的均勻分散、界面結(jié)合強(qiáng)度不足、制備成本高等問題亟待解決。而在這一領(lǐng)域，我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)和企業(yè)已取得重要進(jìn)展。

四、我司成果：少層石墨烯均勻包覆銅粉，性能再升級(jí)

我司通過大量實(shí)驗(yàn)，突破了石墨烯在銅粉表面均勻包覆的技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了在球形銅粉顆粒上穩(wěn)定包覆少層或單層石墨烯。拉曼光譜測(cè)試顯示，包覆的石墨烯缺陷少、晶體結(jié)構(gòu)良好（1G 峰與 2D 峰強(qiáng)度比達(dá) 1.317，D 峰強(qiáng)度極低），質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用方向：

導(dǎo)電性能顯著提升：可用于高導(dǎo)電銅電子漿料，相比傳統(tǒng)材料，電導(dǎo)率提升潛力巨大。

多元制造適配性：適用于噴涂、3D 打印、熱壓等粉末冶金工藝，為高端零部件制造提供新材料選擇。

綜合性能優(yōu)化：在保持銅高導(dǎo)熱性的基礎(chǔ)上，力學(xué)性能（強(qiáng)度、耐磨性）和抗氧化性同步增強(qiáng)，有望應(yīng)用于航空航天、新能源電機(jī)等極端環(huán)境。

總結(jié)

目前，我司正進(jìn)一步開展應(yīng)用驗(yàn)證工作，致力于推動(dòng)石墨烯包銅材料從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化，為解決高端金屬材料 “高強(qiáng)高導(dǎo)” 難題提供新方案。當(dāng)二維材料遇上傳統(tǒng)金屬，這場(chǎng)材料革命才剛剛開始 —— 正如《自然》雜志所言，科技史的齒輪已因它們的 “相遇” 而加速轉(zhuǎn)動(dòng)。

作為先進(jìn)粉體材料的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)型企業(yè)，研倍新材料專注于各種納米合金粉、高性能陶瓷粉及多組元高熵合金粉的研發(fā)與生產(chǎn)，致力于為航空航天、新能源、電子器件、增材制造等前沿領(lǐng)域提供定制化材料解決方案。依托自主研發(fā)的等離子旋轉(zhuǎn)電極霧化（PREP）、氣霧化分級(jí)控制等核心技術(shù)，我們實(shí)現(xiàn)納米級(jí)粒徑精準(zhǔn)調(diào)控（50-500nm），確保粉體具備超高球形度、低氧含量與窄粒度分布特性，完美適配激光選區(qū)熔化（SLM）、電子束熔融（EBM）等精密成型工藝需求。誠(chéng)邀各行業(yè)伙伴共拓高端制造新藍(lán)海。