摘 要：石墨烯是一種新型低維碳材料它具有優(yōu)異的光學、電學、熱學和力學性能，被認為是具有戰(zhàn)略意義的新材料，近年來迅速成為材料科學和凝聚態(tài)物理等領域的研究熱點，而石墨烯-金屬復合材料是石墨烯應用的重點研究方向之一。從理論研究方面概述了國內(nèi)外對石墨烯-銅復合材料的最新研究進展，闡述了石墨烯-銅界面對位錯、熱傳輸有阻礙作用和一定抗輻照損傷的能力，重點介紹其中一些具有優(yōu)異性能的研究結(jié)果及其在目前研究中面臨的困難。

關鍵詞：石墨烯-銅復合材料；輻照損傷；位錯

自2004年英國Manchester大學的Novoselov等[1]首次用機械剝離法獲得單層石墨烯以來，石墨烯以其獨特的結(jié)構，優(yōu)異的電學、熱學、化學和力學性能迅速引起了廣泛地關注。石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化連接密堆積構成的二維晶體，具有良好的導熱性能5000W/（m·K）[2]，室溫下電荷遷移率高達15，000cm2/（V·s）[3]，比表面積為2630m2/g[4]，楊氏模量和力學性能分別為1.02TPa和130GPa[5]。石墨烯的這些優(yōu)良性能使其成為材料科學領域研究的熱點對象，通過與其他材料的復合可以利用石墨烯優(yōu)良的特性賦予復合材料更加優(yōu)異的性能。石墨烯與金屬的復合是石墨烯納米復合材料研究中很重要的一部分，特別是石墨烯-銅復合材料的研究是目前材料研究領域的熱點之一。主要綜述了國內(nèi)外對石墨烯-銅復合材料理論研究的最新進展，給出研究中得到的重要成果，并指出目前石墨烯-金屬復合材料研究過程中的困難。

石墨烯的加入使得石墨烯-銅復合材料不僅可以獲得高導電導熱的性能，還能很好地彌補傳統(tǒng)銅及銅合金強度較低的缺點。這是由于石墨烯在復合材料中起到阻礙位錯運動的作用，使位錯運動需要更大的應力來越過障礙，從而提高了材料的強度，也提高了材料的耐磨性能。2010年，Xu等[6]利用第一性原理研究了單層石墨烯和銅界面的性質(zhì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，單層石墨烯與銅（111）面的界面內(nèi)聚能、強度和電子結(jié)構與它們的原子幾何形貌息息相關。Nam Do.V等[7]提出一個物理模型來研究石墨烯-金屬界面電子的傳輸過程，該模型是基于有效地描述石墨烯π能帶與金屬sd和d能帶之間的耦合。應用這個模型研究了各種金屬-石墨烯界面的傳輸特征（金屬有Cu、Au、Pt、Pd和Ti），計算出各種金屬-石墨烯-金屬復合結(jié)構的伏安特性，得出他們的固有電阻和電導。其中銅-石墨烯-銅復合結(jié)構的伏安特性是負電阻非線性電流，計算出銅-石墨烯界面的固有電阻為3.86×10-10Ω·cm2，電導為2.59×109S·cm-2。Mao等[8]利用第一性原理和格林函數(shù)的方法研究了石墨烯-金屬異質(zhì)結(jié)構的熱傳輸問題，得到在300K時石墨烯-銅界面的熱阻為1.18×10-8K·m2/W。在低溫范圍內(nèi)（50-150K），界面熱阻同溫度成反比關系，而溫度在150K到450K時，熱阻幾乎保持不變。

隨后，Kim等[9]利用石墨烯具有極高強度、彈性模量和二維結(jié)構的特征，將石墨烯作為增強劑創(chuàng)建了金屬-石墨烯的一種分層結(jié)構的納米復合材料。利用化學氣相沉積法在金屬沉積襯底上設置一層石墨烯薄膜，然后在沉積另一層金屬，并重復操作此過程，最終形成一種金屬-石墨烯多層復合納米材料。在透射電子顯微鏡下進行微耐壓測試，以及分子動力學模擬均有效地顯示出該材料在原子水平上的強度增強效應，晶面間距為70nm的銅-石墨烯多層納米復合材料的強度可達到1.5GPa，是純銅材料強度的500倍。通過分子動力學模擬得出，這種高強度是由于石墨烯納米層的存在使得位錯的傳播在界面處被有效地阻止，并還發(fā)現(xiàn)晶面間距和多層納米復合材料的強度之間有一種清晰的關聯(lián)性。晶面間距越小，位錯運動更加困難，而此多層納米復合材料的強度卻明顯增加。

郭俊賢等[10]結(jié)合嵌入原子方法、反應經(jīng)驗鍵序作用勢和Morse勢函數(shù)，采用分子動力學方法研究了石墨烯-銅復合材料的彈性性能和變形機制。結(jié)果表明，石墨烯的加入可以增加復合材料的彈性模量和屈服強度；通過比較預制裂紋在單晶銅和石墨烯增強銅基復合材料中的動態(tài)擴展，發(fā)現(xiàn)石墨烯的加入能顯著抑制裂紋的擴展；此外復合材料的塑性變形主要表現(xiàn)為沿石墨烯表面的滑移，表明石墨烯與金屬銅的界面力學性能對于復合材料的整體性能有重要的影響。

Liu等[11]應用分子動力學模擬研究了在沖擊加載下石墨烯-金屬納米層復合材料的增強效果。在模擬研究中將金屬-石墨烯-金屬的納米層復合材料作為沖擊靶，靶的邊界固定。純金屬作為沖擊彈，從復合材料的上面垂直沖擊，沖擊速度設為6km/s，這個速度是根據(jù)分子動力學模擬得到的，它足夠穿透一個單層的石墨烯。結(jié)果表明，復合材料中位錯的運動被石墨烯界面阻礙，而在相同厚度的純銅中位錯導致了材料被擊穿。沖擊后，復合材料中石墨烯上半部分的金屬溫度明顯高與下半部分金屬的溫度。進一步的分子動力學模擬發(fā)現(xiàn)，沖擊波在純金屬靶的傳播過程中滑移帶是穩(wěn)定和連續(xù)的，而在金屬-石墨烯納米層復合材料中滑移帶被石墨烯界面阻隔，石墨烯前后的金屬層中滑移帶的傳播是不穩(wěn)定的。研究結(jié)果表明，石墨烯界面在沖擊加載下對于增強復合材料發(fā)揮著兩方面的作用。一方面，由于石墨烯相對弱的抗彎剛度可以將石墨烯界面近似作為自由邊界來考慮，這樣將導致層間反射和沖擊波減弱。另一方面，強的面內(nèi)sp2帶結(jié)構阻礙了位錯的傳播和金屬層的融化。由于石墨烯界面的阻礙作用，彈性回復在加強效應中起著重要的作用，通過減小層間的距離可以提高沖擊的強度。

Huang等[12]應用分子動力學模擬研究了銅-石墨烯納米層復合材料的抗輻照損傷和界面的穩(wěn)定性。研究發(fā)現(xiàn)，兩層銅中間夾一層石墨烯的箱體（銅-石墨烯界面的寬度接近6 ）在級聯(lián)作用下，在100K時產(chǎn)生點缺陷的數(shù)目少于相同大小箱體的純銅產(chǎn)生的點缺陷數(shù)目，同時，不同的溫度下會發(fā)生上面相同的現(xiàn)象。這說明石墨烯界面在級聯(lián)作用下能夠加快重組減少點缺陷的產(chǎn)生，在一定程度上抗輻照損傷。除此之外，PKA原子能量越高，級聯(lián)引起界面的石墨烯輻照損傷越嚴重。這個損傷使得頂部的銅原子和低部的石墨烯重組，貫穿打破的石墨烯形成柱狀塊，這樣破壞了界面的穩(wěn)定性，最后削弱了復合材料抗輻照損傷能力。

自從2004年發(fā)現(xiàn)石墨烯以來，關于它的研究不斷取得突破性進展，充分展示了其在理論研究和實際應用領域的巨大潛力和發(fā)展前景。主要介紹了近年來國內(nèi)外在石墨烯-銅復合材料研究方面的前沿進展。值得注意的是，石墨烯和金屬復合材料的研究與應用中仍存在諸多挑戰(zhàn)。比如：如何實現(xiàn)石墨烯納米片在金屬基體中均勻分散以及改善石墨烯與金屬間的接觸界面，如何更精確地控制金屬納米顆粒在石墨烯表面的分散程度和尺寸分布。

參考文獻

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作者簡介：蒲瑾（1983，12-），女，漢，碩士畢業(yè)于電子科技大學凝聚態(tài)物理專業(yè)，講師，主要從事凝聚態(tài)物理方面的研究工作。