上海交通大学张荻教授团队:高强高导石墨烯/金属基复合材料的仿生设计
强度和导电性是导体金属材料两个至关重要的性能，实际应用中往往需要导体材料同时具有高强度和高导电性。然而，在常规金属材料中这两种性能往往不可兼得。通过向金属中引入高强度、高导电的增强体，如石墨烯，制备石墨烯/金属基复合材料，为解决这一关键问题提供了可行途径。但是，由于在石墨烯与金属的复合过程中，存在如石墨烯在金属基体中的均匀分散与其结构完整性保持的协同、复合构型以及优良电学接触复合界面的构建等诸多困难，目前已报道的石墨烯/金属基复合材料在结构-功能综合性能、特别是高导电性方面，在还不尽如人意。
针对金属基复合材料中强度-塑韧性-导电性失配这一关键共性问题，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室张荻教授团队受自然生物材料启发，提出了仿生复合的学术思想，设计制备了具有仿贝壳珍珠层“微纳砖砌结构”的石墨烯/铜基复合材料，并建立了仿生复合技术原型。通过对仿生复合构型的形成与演变规律、复合界面相容性设计与调控、复合构型/界面与性能耦合响应机制等关键科学问题的研究，制备得到了具有强度-塑韧性-导电性均衡匹配的仿生石墨烯/铜基复合材料[1]。相关工作（Carbon, 2017, 117, 65-74）发表后，引起了广泛关注。美国麻省理工学院土木与环境工程系系主任Markus J. Buehler教授和密西根大学材料科学与工程系系主任Amit Misra教授在美国材料学研究会会刊（MRS Bulletin, 2019, 44: 19-24）上发表的综述中引用说道：“与未增强的铜基体相比，具有仿贝壳纳米叠层结构和改进界面结合的2.5 vol.%石墨烯增强铜基复合材料的屈服强度和弹性模量分别提高了约177%和25%，并保持铜的延展性和导电性。”
图1. 高强韧高导电石墨烯增强金属基复合材料的仿生设计思想。
图2、(a-c)自然贝壳珍珠层“砖砌结构”；(d-i)仿贝壳珍珠层结构石墨烯/铜基复合材料。
图3. 仿贝壳珍珠层结构石墨烯/铜基复合材料的均衡力学和导电性能。
在此研究基础上，张荻教授团队深入开展复合界面设计研究，制备了超高导电石墨烯/铜复合界面及其复合材料。通过对石墨烯结构参数、金属基体微结构、石墨烯/基体位相关系等参数的定向调控，使得石墨烯/铜基复合材料的电导率较铜和银分别提高约17%和10%的。国际铜业协会（International Copper Association）认定该电导率是迄今为止金属材料室温电导率的最高值。进一步对复合材料/复合界面的宏观/微观导电性能分析，并结合第一性原理计算，初步揭示了其超高导电机制。相关研究结果近期发表于Advanced Functional Materials。
本研究的成果为制备高强高导金属基复合材料提供了理论基础和实用途径，也为石墨烯中的电子行为研究提供了新平台，为开辟其不可替代性应用提供了新机遇。人民网等主流媒体也展望了该类材料所具有的巨大应用价值，如在工业电机或电网系统中的应用大大降低碳排放、节省燃油消耗，以及缩小所有电器设备，包括线缆、电机、变压器、汽车线束、线路板等的尺寸。
图4. 超高导电石墨烯-铜复合材料与界面的(a-g)制备与(h,i)微观导电性能分析。
相关研究得到了国家重点研发计划(2017YFB0406200)和国家自然科学基金委 (51771110, 51371115)等项目的大力支持。
Ultrahigh Electrical Conductivity of Graphene Embedded in Metals
Mu Cao, Ding-Bang Xiong, Li Yang, Shuaishuai Li, Yiqun Xie, Qiang Guo, Zhiqiang Li, Horst Adams, Jiajun Gu, Tongxiang Fan, Xiaohui Zhang, Di Zhang
Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1806792, DOI: 10.1002/adfm.2
参考文献：
1. Mu Cao, Ding-Bang Xiong, ZhanqiuTan, Gang Ji, Behnam Amin-Ahmadi, Qiang Guo, Genlian Fan, Cuiping Guo, Zhiqiang Li, Di Zhang, Aligning graphene in bulk copper: Nacre-inspired nanolaminated architecture coupled with in-situ processing for enhanced mechanical properties and high electrical conductivity, Carbon, 2017, 117, 65-74.
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