随着5G通信、人工智能、高性能计算等前沿科技的飞速发展，电子器件的功率密度急剧攀升，对高效热管理材料的需求极为迫切。传统金属基热管理材料在热导率、热稳定性等方面已难以满足当下需求。在这一背景下，铜/石墨烯复合材料因其独特的结构设计和卓越的热物理性能而备受关注。但值得注意的是，传统石墨烯掺杂铜复合材料由于存在石墨烯分散不均匀、易发生团聚等问题，导致其实际热输运性能与理论预期值存在显著差距。
针对上述问题，刘忠范院士团队在《Advanced Functional Materials》期刊上发表了有关新型铜/石墨烯复合材料—蒙烯铜的最新研究成果。研究团队分析并量化了蒙烯铜界面声子、电子的导热模式，发现石墨烯与铜复合界面由声子贡献的热输运占比86.59%，电子传导热量占比13.41％。通过调控铜晶面以及石墨烯缺陷类型和密度，研究团队发现Cu(111)晶面相比于其他晶面与石墨烯的晶格适配度高，声子耦合效果更佳，更利于热传递过程中的声子同频振动。同时，一定浓度（1012 ~ 1013 cm-2）的石墨烯生长缺陷能够增强石墨烯与衬底的声子耦合，从而提高界面的热传输效率。
研究团队基于微纳尺度的界面热导计算结果，成功推算出蒙烯铜复合材料的宏观热导率。研究发现，在相同尺寸条件下，铜粉基体表面生长的石墨烯含量显著高于铜箔基体。得益于石墨烯优异的面内热导性能和层间导热特性，蒙烯铜粉材料内部能够形成更为完善的三维导热网络，大幅提升了热量传递路径的连通性和传热效率，使其能够满足更高要求的散热应用场景。值得注意的是，在石墨烯层数相同的条件下，蒙烯铜粉相较于纯铜热导率的提升达到传统石墨烯掺杂铜复合材料的8倍。这一突破性发现充分验证了蒙烯铜复合材料作为新一代高效热管理材料的应用潜力。
图文导读
图1 高导热蒙烯铜复合材料的设计与制备工艺
图2 蒙烯铜的纵向热输运过程及热导率影响因素
图3 石墨烯层数对Gr/Cu和Gr/Gr热输运的影响
图4 蒙烯铜箔及铜粉的宏观热导率预测
总结与展望
本研究对石墨烯“蒙皮”与铜材料界面热传导模式和机制的探究，除了验证蒙烯铜材料的设计理念以外，还对蒙烯材料的工艺优化、性能提升和应用拓展提供了理论依据，也为石墨烯及其他可扩展复合材料的跨尺度性质研究和发展奠定了坚实的理论与实践基础。
文献：https://doi.org/10.1002/adfm.202507876
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