通过湍流冲击均匀铸造法在高导热性铜/石墨烯纳米片复合材料中原位构建金属-共价异质结

《Composites Communications》：In-situ construction of metal-covalent heterojunction in high thermal conductivity Cu/graphene nanosheets composites via turbulence-shock homogeneous casting

　　

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  铜/石墨烯纳米片复合材料是通过湍流冲击均匀铸造法制备的。
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  铜/ZrC/Cr₃C₂/C金属共价异质结的原位构建可降低界面热阻。
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  建立了EMA模型用以阐明热导率的提升机制及影响因子。
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  铜/20GNS复合材料的热导率可达635.85?W?K^?1?m^?1，具有广阔的应用前景。

引言

随着人工智能的快速发展，服务器和数据中心对高性能计算芯片的需求急剧上升[[1], [2], [3]]。更为关键的是，这些高性能计算芯片产生的大量热量会严重影响设备的长期稳定性[4,5]。近期，NVIDIA推出了基于Rubin架构的最新GPU，单个芯片的热设计功率高达2300?W。为了实现更好的热管理，微通道液冷已取代风冷成为现代服务器和数据中心的主要冷却方式[6,7]，并且通过不同的几何设计来优化不同应用场景下的散热效果[8,9]。在液冷系统中，热管理材料在散热过程中起着至关重要的作用[10,11]。因此，这类材料不仅需要具备优异的热导率以及良好的加工性能，还要有足够的机械强度以承受芯片热膨胀带来的应力。一般来说，复合热管理材料可分为三类：金属基、陶瓷基和聚合物基复合材料[12]。陶瓷基和聚合物基复合材料存在固有的缺陷，比如热导率相对较低，而且在热应力作用下容易发生疲劳和断裂[13]。相比之下，金属基复合材料中的铜/碳复合材料因其热导率可高度调控、机械性能稳定且易于加工，被视为复合热管理材料的理想选择[14]。

金刚石颗粒[15,16]、碳纤维[17,18]以及石墨烯纳米片[19,20]常被用作碳材料中的增强剂。金刚石颗粒和碳纤维已被证实能有效提升铜基复合材料的熱导率。然而，由于各向异性热传导、加工复杂以及制造成本高等问题，人们开始探索其他类型的铜基复合材料[21,22]。作为新兴的碳材料，石墨烯纳米片中的碳原子之间具有强大的sp²共价键，其热导率可超过5300?W?K^?1?m^?1[23]。此外，由于铜具有出色的塑性，而石墨烯纳米片在受力时具有层间滑动能力，因此铜/石墨烯纳米片复合材料可以被制成各种几何形状的部件[24]。这样一来，铜/石墨烯纳米片复合材料便兼具优异的热导率和良好的加工性，展现出极佳的热管理潜力。

由于铜与石墨烯纳米片之间的润湿性较差，两者界面处常常会出现大量孔洞、裂纹甚至界面脱粘现象，这会带来较大的热阻，进而大幅降低复合材料的熱导率[25,26]。因此，要提升铜/石墨烯纳米片复合材料的熱导率，关键在于对界面进行改性。通常，这类复合材料是通过粉末冶金法制备的，该方法会在粉末前驱体中加入铬[25]、锆[27]、钛[28]和钼[29]等能够形成碳化物的元素。在热压烧结过程中产生的高温作用下，这些元素会扩散到界面处，并在原位发生反应形成碳化物层[26]。但由于形成碳化物需要极高的温度，且固体粉末中元素的扩散速度很慢，因此热压烧结过程中的界面反应十分有限。这样一来，界面依然保持不连续状态，大量合金元素会溶解在基体中，导致复合材料的熱导率远低于预期值。为进一步提升铜与石墨烯纳米片之间的润湿性，人们提出了对石墨烯纳米片表面进行涂层处理或微观结构改性的方法。在涂层处理方面，多种技术能够帮助在界面处形成较为完整的界面层，从而显著提升热导率[[30], [31], [32], [33]]。王某采用浸渍还原法在铜/石墨烯纳米片复合材料表面沉积钨涂层，使其热导率达到了476?W?K^?1?m^?1[32]。尽管涂层处理能够有效改善界面状况，但由于需要复杂的制造工艺才能实现全覆盖，其成本过高，因此在实际提升热导率的应用中受到限制[30]。而通过对石墨烯纳米片表面进行微观结构改性，可以通过在石墨烯纳米片表面引入各种功能基团，从而增强铜与石墨烯纳米片之间的界面结合力。例如，可通过化学气相沉积[34]、氧化石墨在氨气中的退火处理[35]以及弧光放电[36]等方法构建C–N键，从而使复合材料的熱导率提升至约500?W?K^?1?m^?1

本研究采用铬和锆元素对铜/石墨烯纳米片复合材料的界面进行改性，并引入湍流冲击均匀铸造法来制备这类复合材料。这种铸造方法能够显著提升界面的润湿性，而湍流冲击产生的超重力效应则有助于使石墨烯纳米片在晶界处均匀分布。这样一来，当石墨烯纳米片的体积分数为20%时，该复合材料的横向和纵向热导率分别可达627.4?W?K^?1?m^?1和644.3?W?K^?1?m^?1，同时还保持了良好的加工性能。为阐明铜/石墨烯纳米片复合材料热导率提升的机制，研究通过具体数据展示了这类复合材料优异的热导率和机械性能。研究还利用扫描电子显微镜和三维计算机断层扫描技术对复合材料的微观结构进行了分析，并采用了多尺度表征方法来探究铜/ZrC/Cr₃C₂/C金属共价异质结的结构与形成机制。最后，研究人员建立了一个模型来拟合实验结果，从而揭示了金属共价异质结在提升复合材料热导率方面的关键作用。

章节摘要

原位界面反应设计

为确定最合适的界面改性元素X，研究采用了基于数据的筛选方法，如图1所示。筛选标准包括[39,40]：(i)该元素形成碳化物的反应能为负值；(ii)该元素在1000°C以上的铜中的固溶度需高于0.1?wt%，而在500°C以下的固溶度则需低于0.1?wt%；(iii)当该元素的固溶浓度为0.02?wt%时，铜基体的电导率下降幅度需小于6%。此外，

热性能与机械性能

图3展示了四种复合材料的熱导率及机械性能。图3(a)和(b)分别显示了复合材料在横向和纵向方向上的热扩散率与熱导率。关于熱导率的详细测量结果可见补充信息S3。可以看出，无论是横向还是纵向，复合材料的熱导率都呈现出相似的变化趋势。尤其值得注意的是，铜/20GNS复合材料的横向热导率和纵向热导率分别为627.4?W?K^?1?m^?1和644.3?W?K^?1?m^?1，

结论

• (1)
  在本研究中，通过基于数据的筛选方法选出了用于界面改性的铬和锆元素，随后采用湍流冲击均匀铸造法制备了铜/石墨烯纳米片复合材料，使得石墨烯纳米片能够均匀分布在晶界处并形成金属-共价异质界面。所制备的铜/20GNS复合材料表现出极为优异的综合性能：其在横向和纵向方向上的热导率分别达到了627.4?W?K^?1?m^?1和644.3?W?K^?1?m^?1，显示出显著的性能提升

作者贡献说明

彭佳欣：数据整理、定量分析、实验研究、方法设计、结果验证、可视化处理、论文初稿撰写。李子怡：数据整理、实验研究、资源协调、实验指导、结果验证。袁宇：项目管理工作、资源协调、实验指导、结果验证。黄彦林：资源协调、实验指导、结果验证。蔡汉宇：资源协调、实验指导、结果验证。蒋兆涵：实验指导、结果验证。余祥宇：实验指导、结果验证。龚森：研究构思、资金筹集，

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：92366202，项目编号：52271125）、中国教育部基础学科拔尖计划（项目编号：JYB2025XDXM409）、湖南省杰出青年科学基金（项目编号：2024JJ2078）、中国国家重点研发计划（项目编号：2021YFB3501003）以及中南大学高性能计算中心的支持。

彭佳欣|李子怡|袁宇|黄彦林|蔡汉宇|蒋兆涵|余祥宇|龚森