高质量的单壁碳纳米管和单层石墨烯都具有较铜更高的电导率，是提高铜材料电导率的理想增强体。通过在铜基体中定向复合单壁碳纳米管，初步验证了在金属基复合材料中获得超高导电性的可行性。然而，由于金属性与半导体性单壁碳纳米管的分离和纯化还极具挑战性，且制备工艺不稳定，所获得的材料性质还不均匀甚至难以重复。石墨烯由于其二维平面碳原子层结构，虽然其电导率和结构的关系与碳纳米管不同，但在目前报道的石墨烯和金属复合的方法中，由于：1)复合过程中石墨烯的结构破坏，或为了促进复合在石墨烯中引入丰富官能团和缺陷，均导致石墨烯本征电导率低；2)强各向异性的二维石墨烯在基体中的取向调控难；3)石墨烯与金属之间界面润湿性差和反应控制难，难以获得优良电学接触复合界面，目前大多研究表明，石墨烯的引入或多或少都会引起金属基体电导率的降低。
针对以上关键问题，我团队基于“微纳砖砌”复合方法，利用铜基体对石墨烯生长的催化作用，在铜片表面原位生长高质量石墨烯，以此为复合基元自组装制备“微纳砖砌”构型化石墨烯/铜基复合材料。由于铜片厚度为亚微米尺度，自组装完成后，石墨烯则在亚微米尺度均匀分散，从而实现石墨烯的结构完整性和均匀分散的协同，而且原位生长的石墨烯与铜基体特定的晶格位相关系和界面结合，有利于实现优良电学接触的复合界面。此外，“微纳砖砌”复合构型使得石墨烯在金属基体中取向分布，充分发挥强各向异性二维石墨烯对强度和电导性能的增强效益。同时，综合“微纳砖砌“复合构型赋予的强韧化效应，最终制备了强度-塑/韧性-导电性能协同的石墨烯/铜复合材料(图5)。
图5 “微纳砖砌”复合构型对强度-塑/韧性-导电性能的协同效应
Fig.5Synergyofstrength-toughnessandductility-electricalconductivityincompositeswithanarchitectureof“brick-and-mortar”
以上原位生长石墨烯的构型化复合思路，在提高强度和模量的同时，基本保持了基体的延伸率和电导率。在此基础上，我团队进一步开展了关于石墨烯对铜电导率的增强效应与机制研究。利用化学气相沉积工艺获得高质量石墨烯/铜箔复合基元，有序堆叠、致密化烧结获得层状结构石墨烯/铜复合材料，实现高质量化学气相沉积石墨烯在铜基体内的高取向排列和优良电学接触的复合界面。
宏观四探针电导率分析结果表明，该层状结构石墨烯/铜复合模型材料具有约117%IACS(国际退火铜标准)的高导电性能，显著高于纯铜和银的电导率。导电模式原子力显微镜对纳米尺度电导分析结果表明，石墨烯/铜复合界面微区电流分布峰值平均高出周围铜基体3个数量级(图6)，意味着复合界面处具有超高的电导率。复合界面位相关系和石墨烯层厚等主要参数的定向调控进一步揭示了复合界面超高电导的影响规律：嵌于Cu(111)基体中，由于石墨烯与Cu(111)之间仅有3%的晶格失配，两者具有相似的晶格匹配与高度的对称性，复合界面导电能力较其他位相关系更高；此外，单层和双层石墨烯具有高的复合界面电导，且随着石墨烯的层数增加，导电能力大幅降低。上述关于石墨烯可以显著提高复合界面以及复合材料电导的结果，为制备高强高导金属基复合材料提供了理论基础和实验参考。
图6 石墨烯-铜复合界面电导的原子力显微镜分析方法(a)和超高导电性能(b)
Fig.6 Schematic illustration for graphene-copper interface conductivity by using conducting atomic force microscopy and its ultrahigh interface conductivity
