近日，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院陳全芳教授團(tuán)隊(duì)在高導(dǎo)高強(qiáng)石墨烯鋁復(fù)合材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究成果以西南交通大學(xué)為第一單位，以“The influence of interface products on the mechanical and electrical properties of graphene aluminum composites”為題，發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Surfaces and Interfaces》上。西南交通大學(xué)為論文唯一單位，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院博士研究生羅友明為論文的第一作者，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院陳全芳教授為該論文的通訊作者。

鋁是地球上儲(chǔ)量最豐富的金屬（8%），雖然其導(dǎo)電性排在銀銅之后，但是由于成本低和重量輕（均約為銅的四分之一），并且與銅相比具有比強(qiáng)度高和環(huán)境穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在遠(yuǎn)距離輸電、輕量化電機(jī)和電力電子等領(lǐng)域。

但是由于純鋁的導(dǎo)電性只有銅的63%左右以及本征強(qiáng)度低等難以滿足各種對(duì)導(dǎo)電性和強(qiáng)度具有特殊要求的應(yīng)用場(chǎng)景，因此需要對(duì)鋁基材料進(jìn)行增導(dǎo)和增強(qiáng)。然而傳統(tǒng)的強(qiáng)化手段如晶粒強(qiáng)化和合金強(qiáng)化等都普遍存在“強(qiáng)度-導(dǎo)電性”倒置的問題，即在提高強(qiáng)度的同時(shí)不可避免的降低了導(dǎo)電性。

為了解決上述問題，陳全芳教授提出了通過在鋁基材料中引入石墨烯來(lái)實(shí)現(xiàn)提高強(qiáng)度和導(dǎo)電性的協(xié)同效應(yīng)。其理論基礎(chǔ)在于，金屬基材料的導(dǎo)電性是與其自由電子密度和電子平均自由程成正比關(guān)系。

雖然鋁具有豐富的自由電子密度（每個(gè)鋁原子有三個(gè)自由電子），但是室溫下鋁的電子平均自由程很小，只有16納米左右（銅為40納米）。相對(duì)而言，單純石墨烯的電子平均自由程非常大（室溫可達(dá)30微米左右，是鋁的1800多倍），如果將二者形成有機(jī)結(jié)合，在界面處將既能獲得高的自由電子密度（鋁提供）又能實(shí)現(xiàn)大的電子平均自由程（石墨烯提供），因而理論上可顯著提高鋁的導(dǎo)電性。

另外，石墨烯具有非常高的機(jī)械強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度高達(dá)63GPa以上 （純鋁只有110MP左右），因而根據(jù)復(fù)合材料理論，石墨烯也能顯著提高鋁的機(jī)械強(qiáng)度。但是以往可查閱的文獻(xiàn)表明，石墨烯鋁基復(fù)合材料雖然能提高其機(jī)械性能，但是在導(dǎo)電性上遠(yuǎn)遠(yuǎn)不盡人意，最好的結(jié)果也只提高導(dǎo)電性8%左右，并且大多數(shù)都比純鋁降低了。主要原因是材料制備所需的高溫條件下鋁與石墨烯發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，形成了鋁碳相從而顯著的降低了導(dǎo)電性。

為了避免鋁碳相的形成， 本研究通過使用納米鍍銅包裹石墨烯實(shí)現(xiàn)了鋁碳隔離，同時(shí)創(chuàng)新性的使用高壓低溫?zé)Y(jié)的方式制備了鍍銅石墨烯鋁復(fù)合材料（圖1，專利審批中），并研究了制備過程中可能產(chǎn)生的界面產(chǎn)物對(duì)復(fù)合材料力學(xué)性能和電學(xué)性能的影響。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制備的鋁石墨烯復(fù)合材料的界面產(chǎn)物中沒有鋁碳相，主要為Al2Cu。復(fù)合材料的電導(dǎo)率可達(dá)82.5%IACS（純銅為100%IACS）（圖2），相當(dāng)于標(biāo)志性銅鉻鋯高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的導(dǎo)電性。抗拉強(qiáng)度可達(dá)404MPa，約為退火純銅的兩倍（圖2）。相比于同樣條件下制備的純鋁，強(qiáng)度提高了68%，導(dǎo)電性提高了33%。

該項(xiàng)工作為解決金屬材料中廣泛存在的“強(qiáng)度-導(dǎo)電性”倒置的問題提供了新策略。目前團(tuán)隊(duì)在連續(xù)制備高導(dǎo)高強(qiáng)墨烯鋁復(fù)合導(dǎo)線也取得了突破性進(jìn)展。由于其低成本，低密度和近似于高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的性能，新型鋁基石墨烯復(fù)合導(dǎo)電材料和導(dǎo)線在電氣工程中具有非常廣泛的應(yīng)用前景。

圖1 鍍銅石墨烯鋁復(fù)合材料制備流程示意圖

圖2 鋁石墨烯復(fù)合材料電學(xué)性能和力學(xué)性能表征

羅友明為西南交通大學(xué)電氣學(xué)院2020級(jí)博士研究生，主要研究方向是石墨烯鋁基復(fù)合導(dǎo)電材料。目前已經(jīng)發(fā)表了7篇SCI文章。

陳全芳教授獲得清華大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位后在中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)金屬研究所完成其博士后研究。先后任職任教于中國(guó)科學(xué)院，俄羅斯科學(xué)院和意大利Bologna大學(xué)（客座教授）以及加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）和弗羅里達(dá)公立大學(xué)等。他是國(guó)際上室溫納米導(dǎo)電材料的權(quán)威人士，其納米碳銅基復(fù)合材料被國(guó)際銅協(xié)會(huì)委托的評(píng)估機(jī)構(gòu)在世界范圍內(nèi)認(rèn)證為最佳（唯一一個(gè)優(yōu)秀），被國(guó)際銅協(xié)會(huì)稱為game-change的研究成果。目前團(tuán)隊(duì)的主要研究工作包括石墨烯鋁基導(dǎo)電材料與應(yīng)用，納米碳銅基導(dǎo)電材料與應(yīng)用以及微納傳感器（觸覺和醫(yī)療影像）等。