《Materials & Design》：Additive manufacturing of graphene-reinforced copper matrix composites produced via cold spray
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研究人员通过冷喷涂增材制造(CSAM)成功制备了高密度(约99%)的铜-石墨烯(Cu–Gr)二维金属基复合材料(2DMMCs)。冷喷涂(CS)气体温度影响了颗粒撞击过程中复合材料的动态再结晶(DRX)与几何必要位错(GND)演变。退火态Cu–Gr沉积层实现了3
研究人员通过冷喷涂增材制造(CSAM)成功制备了高密度(约99%)的铜-石墨烯(Cu–Gr)二维金属基复合材料(2DMMCs)。冷喷涂(CS)气体温度影响了颗粒撞击过程中复合材料的动态再结晶(DRX)与几何必要位错(GND)演变。退火态Cu–Gr沉积层实现了336±5.4 W/m·K的热导率(TC)与86.8% IACS的电导率(EC)；由于Gr的存在，Cu–Gr沉积层硬度提高至112.83 HV，但延展性降低。
研究背景与立项依据
铜(Cu)因高导电导热性、可加工性及耐蚀性，广泛用于热管理、电力电子与多功能系统；将石墨烯(Gr)作为二维增强体引入金属基体可进一步提升力学、热学与电学性能，形成二维金属基复合材料(2DMMCs)。传统粉末冶金与铸造工艺难以满足复杂几何与功能一体化需求，而激光粉末床熔融(L-PBF)、定向能量沉积(DED)等熔融基增材制造(AM)因Cu高反射高导热、Gr高温下结构无序化与界面反应等问题受限。固态冷喷涂增材制造(CSAM)依赖动能而非热能实现颗粒结合，可抑制氧化、保留Gr结构完整性，但Gr对颗粒结合、动态再结晶(DRX)、位错密度及最终力/热/电性能的影响机制尚缺乏系统认知。为此，研究人员以1 wt% Gr增强Cu为对象，系统研究CSAM过程中Gr对结合机制、微观组织演变与性能构效关系的影响，论文发表于《Materials》。
主要关键技术方法
研究人员采用高纯球形Cu粉与机械干法球磨制备的多层Gr复合（Cu 1 wt% Gr）粉末；使用高压冷喷涂系统（Impact 5/11，SiC喷嘴，N?载气）在800 °C与500 °C气体温度下沉积纯Cu及Cu–Gr块体（≥10 mm厚，6层）；沉积后于500 °C真空退火1 h。表征方面，利用扫描电镜(SEM)、电子背散射衍射(EBSD)分析形貌与晶粒取向，X射线衍射(XRD)评估峰宽与晶格应变，拉曼光谱定量ID/IG与I2D/IG以判据Gr缺陷与层数，聚焦离子束(FIB)-透射电镜(TEM)/角环形暗场扫描透射(ADF-STEM)与电子能量损失谱(EELS)解析Cu–Gr界面原子结构，阿基米德法测密度，瞬态平面源法(TPS)测面内热导率，涡流法测电导率，微维氏硬度与拉伸试验评价力学性能，辅以高速擦试(wipe test)定性观察单颗粒变形。
研究结果
3.1 粉末表征：雾化Cu粉呈球形，球磨Cu–Gr粉为球状与片状混合，粒径分布更宽（D50由30.33 μm增至44.65 μm）；EBSD显示两粉末晶粒尺寸均数微米至~10 μm，EDX证实Gr附着于Cu颗粒表面。
3.2 评估Gr存在与沉积质量：Cu–Gr 800沉积截面面积较纯Cu减少约14.5%，沉积效率(DE)下降，表面粗糙度Sa由9.7±3.2 μm升至14.5±2.6 μm；wipe test显示更多反弹坑。EDX与拉曼确认Gr保留于颗粒界面，Cu–Gr 800的ID/IG（1.34）高于Cu–Gr 500（0.88），表明800 °C下高冲击速度诱发更多Gr缺陷；XRD未见碳化物/氧化物，Cu–Gr沉积(111)峰宽增加反映晶格畸变加剧；阿基米德密度纯Cu为8.903 g/cm3，Cu–Gr 800为8.80 g/cm3，Cu–Gr 500降至8.688 g/cm3。TEM证实层状2H石墨与晶体Cu直接接触，无反应层，EELS显示sp2碳结构保留且界面无氧富集。
3.2.1 沉积态Cu与Cu–Gr：EBSD显示纯Cu晶粒等轴含退火孪晶，DRX充分；Cu–Gr样品几何必要位错(GND)密度更高，再结晶分数低，变形晶粒为主，Gr富集界面处出现局部DRX；Cu–Gr 500因冲击速度低、温度输入少，再结晶更少、组织更不均匀。
3.2.2 沉积后退火影响：500 °C退火1 h后，Cu–Gr样品Gr的ID/IG下降，缺陷部分愈合；Cu基体发生静态不连续再结晶(DSRX)，完全再结晶分数Cu–Gr 800由16.1%升至59.1%，Cu–Gr 500由15.6%升至74.3%，但平均晶粒直径几乎不变（~2.2 μm），Gr在界面起Zener钉扎作用抑制晶粒长大。
3.3 力学性能：沉积态显微硬度纯Cu 80.18 HV，Cu–Gr 800为86.91 HV，Cu–Gr 500达112.83 HV；抗拉强度(UTS)纯Cu最高（174 MPa），Cu–Gr体系降至122–125 MPa，断裂应变由1.19%降至0.34–0.75%；退火后纯Cu延性恢复至14%，而Cu–Gr仍低于1%，表明Gr弱化颗粒间冶金结合、成为裂纹源。热导与电导：退火Cu–Gr获336±5.4 W/m·K与86.8% IACS，接近纯Cu水平但略降。
讨论与结论翻译
讨论指出，Gr位于颗粒界面削弱Cu–Cu金属接触、阻碍动态再结晶芯部传播，同时高导热Gr引起局部热梯度改变绝热塑性升温分布，加之热膨胀系数失配引入附加应力；退火中Gr钉扎晶界限制长大，使强度下降但延展性未同步恢复。结论：研究人员通过CSAM制备了相对密度~99%的Cu–Gr 2DMMCs；气体温度调控颗粒撞击时的DRX与GND演化；退火Cu–Gr沉积层实现336±5.4 W/m·K热导率与86.8% IACS电导率；Gr使硬度提升至112.83 HV但降低延展性；该研究建立了CS Cu–Gr复合材料颗粒相互作用—微观组织—性能的结构-property关联，为下一代固态AM 2DMMCs优化提供基础。
