近日，陳全芳教授團隊在高導高強石墨烯鋁復合材料領域取得重要進展，相關研究成果以我校為第一單位，以“The influence of interface products on the mechanical and electrical properties of graphene aluminum composites”為題，發(fā)表在國際知名期刊《Surfaces and Interfaces》（JCR一區(qū)，IF=6.2）上。西南交通大學為論文唯一單位，電氣工程學院博士研究生羅友明為論文的第一作者，電氣工程學院陳全芳教授為該論文的通訊作者。

鋁是地球上儲量最豐富的金屬（8%），雖然其導電性排在銀銅之后，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度高和環(huán)境穩(wěn)定性好等特點，被廣泛應用在遠距離輸電、輕量化電機和電力電子等領域。但是由于純鋁的導電性只有銅的63%左右，以及本征強度低等難以滿足各種對導電性和強度具有特殊要求的應用場景，因此需要對鋁基材料進行增導和增強。然而傳統的強化手段如晶粒強化和合金強化等都普遍存在“強度-導電性”倒置的問題，即在提高強度的同時不可避免降低了導電性。

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實現提高強度和導電性的協同效應。其理論基礎在于，金屬基材料的導電性是與其自由電子密度和電子平均自由程成正比關系。雖然鋁具有豐富的自由電子密度（每個鋁原子有三個自由電子），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）。相對而言，單純石墨烯的電子平均自由程非常大（室溫可達30微米左右，是鋁的1800多倍），如果將二者形成有機結合，在界面處將既能獲得高的自由電子密度（鋁提供）又能實現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電性。

另外，石墨烯具有非常高的機械強度，抗拉強度高達63GPa以上 （純鋁只有110MP左右），因而根據復合材料理論，石墨烯也能顯著提高鋁的機械強度。以往可查閱的文獻表明，石墨烯鋁基復合材料雖然能提高其機械性能，但是在導電性上遠遠不盡人意，最好的結果也只提高導電性8%左右，并且大多數都比純鋁降低了。主要原因是材料制備所需的高溫條件下鋁與石墨烯發(fā)生了化學反應，形成了鋁碳相從而顯著地降低了導電性。

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現了鋁碳隔離，同時創(chuàng)新性地使用高壓低溫燒結的方式制備了鍍銅石墨烯鋁復合材料（圖1），并研究了制備過程中可能產生的界面產物對復合材料力學性能和電學性能的影響。實驗結果表明，所制備的鋁石墨烯復合材料的界面產物中沒有鋁碳相，主要為Al2Cu。復合材料的電導率可達82.5%IACS（純銅為100%IACS）（圖2），相當于標志性銅鉻鋯高強高導銅合金的導電性。抗拉強度可達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，強度提高了68%，導電性提高了33%。該項工作為解決金屬材料中廣泛存在的“強度-導電性”倒置的問題提供了新策略。目前團隊在連續(xù)制備高導高強墨烯鋁復合導線方面也取得了突破性進展。由于其低成本，低密度和近似于高強高導銅合金的性能，新型鋁基石墨烯復合導電材料和導線在電氣工程中具有非常廣泛的應用前景。

圖1 鍍銅石墨烯鋁復合材料制備流程示意圖

圖2 鋁石墨烯復合材料電學性能和力學性能表征

羅友明為電氣學院2020級博士研究生，主要研究方向是石墨烯鋁基復合導電材料。目前已經發(fā)表了7篇SCI文章。

陳全芳教授獲得清華大學工學博士學位后在中國科學院沈陽金屬研究所完成其博士后研究。先后任職任教于中國科學院，俄羅斯科學院和意大利Bologna大學（客座教授）以及加州大學洛杉磯分校（UCLA）和弗羅里達公立大學等。他是國際上室溫納米導電材料的權威人士，其納米碳銅基復合材料被國際銅協會委托的評估機構在世界范圍內認證為最佳（唯一一個優(yōu)秀），被國際銅協會稱為game-change的研究成果。他被選為美國機械工程師學會（ASME）Fellow和國家特聘專家等。目前團隊的主要研究工作包括石墨烯鋁基導電材料與應用，納米碳銅基導電材料與應用以及微納傳感器（觸覺和醫(yī)療影像）等。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.surfin.2024.104164