近日，学校16877太阳集团陈全芳教授团队在高导高强石墨烯铝复合材料领域取得重要进展，相关研究成果以我校为第一单位，以“The influence of interface products on the mechanical and electrical properties of graphene aluminum composites”为题，发表在国际知名期刊《Surfaces and Interfaces》（JCR一区，IF=6.2）上。16877太阳集团为论文唯一单位，16877太阳集团博士研究生罗友明为论文的第一作者，16877太阳集团陈全芳教授为该论文的通讯作者。

铝是地球上储量最丰富的金属（8%），虽然其导电性排在银铜之后，但是由于成本低和重量轻（均约为铜的四分之一），并且与铜相比具有比强度高和环境稳定性好等特点，被广泛应用在远距离输电、轻量化电机和电力电子等领域。但是由于纯铝的导电性只有铜的63%左右，以及本征强度低等难以满足各种对导电性和强度具有特殊要求的应用场景，因此需要对铝基材料进行增导和增强。然而传统的强化手段如晶粒强化和合金强化等都普遍存在“强度-导电性”倒置的问题，即在提高强度的同时不可避免降低了导电性。

为了解决上述问题，陈全芳教授提出了通过在铝基材料中引入石墨烯来实现提高强度和导电性的协同效应。其理论基础在于，金属基材料的导电性是与其自由电子密度和电子平均自由程成正比关系。虽然铝具有丰富的自由电子密度（每个铝原子有三个自由电子），但是室温下铝的电子平均自由程很小，只有16纳米左右（铜为40纳米）。相对而言，单纯石墨烯的电子平均自由程非常大（室温可达30微米左右，是铝的1800多倍），如果将二者形成有机结合，在界面处将既能获得高的自由电子密度（铝提供）又能实现大的电子平均自由程（石墨烯提供），因而理论上可显著提高铝的导电性。

另外，石墨烯具有非常高的机械强度，抗拉强度高达63GPa以上 （纯铝只有110MP左右），因而根据复合材料理论，石墨烯也能显著提高铝的机械强度。以往可查阅的文献表明，石墨烯铝基复合材料虽然能提高其机械性能，但是在导电性上远远不尽人意，最好的结果也只提高导电性8%左右，并且大多数都比纯铝降低了。主要原因是材料制备所需的高温条件下铝与石墨烯发生了化学反应，形成了铝碳相从而显著地降低了导电性。

为了避免铝碳相的形成， 本研究通过使用纳米镀铜包裹石墨烯实现了铝碳隔离，同时创新性地使用高压低温烧结的方式制备了镀铜石墨烯铝复合材料（图1），并研究了制备过程中可能产生的界面产物对复合材料力学性能和电学性能的影响。实验结果表明，所制备的铝石墨烯复合材料的界面产物中没有铝碳相，主要为Al₂Cu。复合材料的电导率可达82.5%IACS（纯铜为100%IACS）（图2），相当于标志性铜铬锆高强高导铜合金的导电性。抗拉强度可达404MPa，约为退火纯铜的两倍（图2）。相比于同样条件下制备的纯铝，强度提高了68%，导电性提高了33%。该项工作为解决金属材料中广泛存在的“强度-导电性”倒置的问题提供了新策略。目前团队在连续制备高导高强墨烯铝复合导线方面也取得了突破性进展。由于其低成本，低密度和近似于高强高导铜合金的性能，新型铝基石墨烯复合导电材料和导线在电气工程中具有非常广泛的应用前景。

图1 镀铜石墨烯铝复合材料制备流程示意图

图2 铝石墨烯复合材料电学性能和力学性能表征

罗友明为电气学院2020级博士研究生，主要研究方向是石墨烯铝基复合导电材料。目前已经发表了7篇SCI文章。

陈全芳教授获得清华大学工学博士学位后在中国科学院沈阳金属研究所完成其博士后研究。先后任职任教于中国科学院，俄罗斯科学院和意大利Bologna大学（客座教授）以及加州大学洛杉矶分校（UCLA）和弗罗里达公立大学等。他是国际上室温纳米导电材料的权威人士，其纳米碳铜基复合材料被国际铜协会委托的评估机构在世界范围内认证为最佳（唯一一个优秀），被国际铜协会称为game-change的研究成果。他被选为美国机械工程师学会（ASME）Fellow和国家特聘专家等。目前团队的主要研究工作包括石墨烯铝基导电材料与应用，纳米碳铜基导电材料与应用以及微纳传感器（触觉和医疗影像）等。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.surfin.2024.104164