石墨烯自被发现以来，因为其极高的导电导热性能和优异的力学性能被认为是理想的金属基复合材料增强体。因此，充分发挥石墨烯材料的优势，制备出高性能的金属基石墨烯复合材料有可能带来金属基复合材料的突破。

制备石墨烯金属基复合材料并不容易，石墨烯与金属元素之间的润湿性差，结合力弱，分散性不好。石墨烯与大多数金属的(111)表面更容易结合形成稳定的界面，其中与Co、Ni、Ti和Pd之间的界面属于化学吸附，结合能较高，每个碳原子的结合力E约0.1 e V，与Ag、Cu、Pt、Al、Au之间的界面属于物理吸附，结合能较低，每个碳原子的结合力E≤0.04 e V。

邹君玉采用高能球磨法改善了石墨烯与铝的界面润湿性；Tjong采用聚乙烯醇等高亲水性的聚合物来改善与石墨烯之间的润湿性；通过在铜基体中添加少量的其他金属元素，也可以提高基体与石墨烯增强相的界面结合力；还可以通过化学掺杂方法来引入杂原子(N、B、P等)，通过离子注入显著地提高复合材料的浸润性、电子密度及电导率。

目前，对于金属基材料中加入石墨烯形成复合材料已进行了大量研究，包括复合材料的导电性、热导率、耐腐蚀性、抗氧化性以及力学性能。

本文主要从石墨烯金属基复合材料的电气性能、散热性能和力学性能方面的研究来展开介绍。介绍近年来石墨烯金属基复合材料的研究进展，概述了其产业化进程，分析总结了石墨烯金属基复合材料产品研发中的主要难点，并对石墨烯金属基复合材料的应用前景作了展望。

一、石墨烯金属基复合材料的研究现状

1.1 石墨烯金属基复合材料的电气性能研究

一百多年来，金属在电气领域有着广泛的应用，承担着电力输送和电力传导的任务。石墨烯的出现，有望打破现有格局，成为下一代电气领域的主流材料。由于石墨烯是二维纳米材料，单独成型困难，目前更多的研究是将石墨烯添加到金属中形成复合材料。

Nam等计算出石墨烯/铜界面的电阻为3.86×10–10Ω·cm2，电导为2.59×109S·cm–2。也就是说，电流要穿越石墨烯与铜的界面就要损失一部分电流，而随着石墨烯层数的增加，垂直于片层方向的导电导热性能也会下降，因此要制备导电性能优异的石墨烯金属基复合材料，除了要控制石墨烯的层数，而且要尽量减少载流子在石墨烯与金属基体之间界面的穿越次数。

哈尔滨工业大学的杨帅利用高速球磨机和高剪切均质机制备了少层石墨烯增强的铜基复合材料，该复合材料的电导率高达81%IACS。上海交通大学的Mu等利用球磨和化学气相沉积的方法制备了石墨烯增强的铜基复合材料，其抗拉强度和屈服强度有明显提高，其中石墨烯体积分数为1.6%的复合材料电导率高达97.1%IACS。侯宏英等通过电沉积法在金属铜表面自组装一层石墨烯活性物质，该电极材料不仅比表面积大，而且与铜集流体结合紧密，有助于减小接触电阻。

Dong将石墨烯添加到合金中提高了耐电强度，避免集中侵蚀的表面接触。何泓材等、李勇等、冷金凤等、Liu等都制备了金属基石墨烯复合触点材料。由于石墨烯增强相的加入，使得该复合材料具有更优越的导电性，稳定性更高，抗熔焊能力更强，具有广阔的应用前景。

1.2 石墨烯金属基复合材料的导热性能研究

由于金属本身就具有很优秀的导热散热功能，且石墨烯与金属之间界面作用会大幅降低石墨烯的导热能力，因此想通过石墨烯与金属复合来进一步提高散热能力有很高的技术难度，相关研究较少。

美国加利福尼亚大学的等利用化学气相沉积技术制备了石墨烯-铜-石墨烯夹心结构的复合膜，其热导率比相同厚度的纯铜高24%，马来亚大学的等通过化学合成的方法制备了纳米银-石墨烯复合材料，其热导率比纯银高22.22%。上海交通大学的匡达利用复合电沉积技术制备了石墨烯质量分数为0.12%的镍基复合材料，该复合材料的热导率比纯镍提高了15%。肖瑞发现随着石墨烯含量的增加，石墨烯铝基复合材料的热导率先增加后降低。罗昊发现当石墨烯质量分数为1.8%时，石墨烯铝基复合材料的热导率达到峰值，随后热导率开始下降。

1.3 石墨烯金属基复合材料的力学性能研究

近年来，石墨烯金属基复合材料在力学性能方面的提升有目共睹。石墨烯作为块体金属的增强体时，通过晶粒细化、位错强化以及应力转移等作用使基体的应力大幅增加，所以块体石墨烯金属基复合材料具有很好的力学性能。如：美国爱荷华州立大学的等通过球磨法制备的铝-石墨烯复合材料的抗弯强度比纯铝提高了34%。

杨帅利用粉末冶金技术制备的石墨烯增强的Al基复合材料，抗拉强度达到了249 Mpa，比纯铝提高了62%。Wang等利用液态超声和固态搅拌方法制备的石墨烯纳米片增强的镁基复合材料，具有极高的力学性能和完美的增强效果。

Chen等利用半粉末混合的方法，通过超声与搅拌摩擦二次混合，制备了石墨烯镁基复合材料，石墨烯的加入使其合金的硬度提高了78%，强化效率远高于普通强化相。

1.4 石墨烯金属基复合材料在其他领域的研究

石墨烯与金属的复合材料还具有很好的光电效应及催化作用。石墨烯与P和Au纳米粒子复合以后，发现该复合材料具有良好的光电性能。刘丹妮选取CVD法在Mo S2薄膜上制备石墨烯。从理论和实验测试分析石墨烯与金属接触的I-V性能，这种创新型异质结器件，有望应用到传感器、光电检测等领域。

总体而言，虽然现有研究论文和公开专利在石墨烯金属基复合材料方面的研发还不够系统深入，但目前的成果足以表明石墨烯在导电散热和改性传统金属材料方面大有可为。

二、国内石墨烯金属基复合材料产业化进程

石墨烯产业在中国起步较早，2016年国内石墨烯市场规模已突破3000万美元，在资本的驱动下，预计中国的石墨烯产业化将会在较短时间内取得突破。而目前石墨烯的相关应用产品也是进入了快速的产业化阶段，如石墨烯充电宝、石墨烯发热服、石墨烯防腐涂料和石墨烯防PM2.5口罩等产品相继问世，石墨烯金属基复合材料产品的产业化主要是在触点、电线电缆，散热器件等领域，由于开发难度大，设备投入高而少有优秀的产品问世。

2017年1月5日，中天科技全资子公司上海中天铝线在石墨烯制备及应用于新型石墨烯金属基复合材料方面，首次实现了在工业级铝杆连铸连轧生产线上连续性地生产石墨烯铝基复合材料杆材，其抗拉强度提升了25%~50%。该项目已投资3亿元在建生产线。此外，上海交通大学张荻、李志强教授在石墨烯-铝合金方面做了大量工作，并申请了多项发明专利，石墨烯可以显著提升铝合金性能。

中科院上海微系统所与企业共建的石墨烯联合实验室经过数年产学研联合攻关，实现了石墨烯-铜均匀体相复合，复合材料的导电性能提升3%，导热、强度和防腐性能同时提升，有望在散热器件、触点和电线电缆领域获得广泛使用。相关合金粉体，微观形貌和宏观块体如图1所示。这是目前国内即将落地的两个石墨烯金属基复合材料产品，也有很多石墨烯金属基复合材料产品在实验室技术上取得了突破，但距离量产和应用仍需要时间。

三、存在的问题及展望

石墨烯金属基复合材料相关产品的开发在某些领域已经取得了显著的成果，但石墨烯在导电导热方面的特性还没有有效地实现方式。最主要的困难在于三个方面：

第一，要掌握质量稳定且性能优异的石墨烯材料制备技术（针对不同的应用，对优质石墨烯的定义不同）。目前我国具备石墨烯材料制备能力的公司很多，能够提供多种规格不同品质的石墨烯，但其中有足够技术保证石墨烯质量及工艺稳定性的公司不多。虽然石墨烯的理论强度、导电导热性能都很高，但是实际制备出来的石墨烯由于技术上的不完善往往存在很多缺陷，大大降低了石墨烯的性能优势，因此通过成熟稳定的工艺制备出本征性能优秀的石墨烯材料是进行复合材料研究的基础。

第二，要处理好石墨烯与金属之间的界面问题。石墨烯与金属界面之间的润湿性差，结合力弱，难以均匀分布在金属中，而且在石墨烯与金属的界面上，石墨烯的电子运动会受到金属基中声子碰撞的影响而发生散射，影响复合材料的导电导热性能的发挥。因此，根据所研发复合材料的性能要求，采用创新合理的方法改善石墨烯与金属之间的界面问题金属材料包括哪些材料，是产品能够成功的关键。

第三，采用工业化手段制备石墨烯金属基复合材料。解决了以上两个核心技术问题，才能够进入到产品开发的产业化阶段。石墨烯金属基复合材料的研发无疑需要采用大量的高科技手段，投入大量的资金及高精尖人才。对于高新技术而言，制备中所采用的设备更精密，技术更复杂，它的产业化难度就越大。如何把实验室的新型材料真正转化为可大规模生产的产品金属材料包括哪些材料，这是一个工程问题，需要多个领域的智慧和多种手段经过反复论证和不断试验来实现。

我国石墨烯相关产业的起步较早，规模较大，现阶段很多正在进行相关研发的团队已经通过自主创新或者合作创新突破了前两个难题，迟迟没有推出相关产品就是在花精力解决第三个难题。在不久的将来，相信石墨烯金属基复合材料产品将会在多个领域开花，尤其是对导电、散热器件制造领域将带来不小的变革。

石墨烯金属基复合材料研究进展马瑜1，丁古巧1,2（1. 上海新池能源科技有限公司,上海 ；2. 中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海 ）

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