中南大学龚深教授团队《Composites part B》：通过铜-碳界面修饰和石墨烯链状网络构建降低铜线中电流感应的温升

为了解决大功率电气系统（例如牵引电机和新能源汽车中的高压线束）中的导体中由焦耳热效应引起的显著温升，开发具有高导热性、高导电性和足够强度的导体材料对于满足严格的温升控制要求至关重要。

近期，中南大学龚深教授团队基于与Cr和Zr的协同界面改性策略，使用涉及真空热压、热挤压和冷拉的多步骤工艺成功制造了石墨烯纳米片（GNPs）/Cu-0.1Cr-0.1Zr（wt%）复合丝。在复合线材中，沿轴向高度排列的GNPs链状网络均匀分布在以强<111>+弱<100>纤维织构为特征的细长晶粒中。同时，原位形成强结合的Cu/Cr3C2（ZrC）/GNPs异质界面。这种多尺度微观结构赋予复合线优异的性能组合。

在0.4 vol%的GNPs含量下，金属丝实现了521 MPa的高抗拉强度，这归因于多机制协同强化。同时，由于沿轴向的弱电子散射，它保持了97.8%IACS的高电导率。其优异的热导率（426.8W m−1K−1）导致稳态温升显著降低（69.1◦C)在20A/mm2的电流密度下，与纯Cu相比(88.4◦C)。基于界面热阻模型和有效介质近似热导率模型的分析表明，界面修饰降低热阻和形成高效GNPs导热通道的协同效应是热导率增强的主要原因。这项研究为设计和制造具有低电流感应温升的高性能铜线提供了一种新策略。

相关工作以“Reduction of current-induced temperature rise in copper wires via copper-carbon interface modification and graphene chain-like network construction”为题发表在复合材料领域著名期刊《Composites part B》上。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2026.114017

图1 GNPs/CuCrZr复合丝的制备工艺及原材料的微观结构表征。(a)制造过程的示意图。（b）CuCrZr合金粉末的SEM图像和相应的EDS元素图。（c）原始GNPs的SEM图像，（d）拉曼光谱和（e）XRD图案。

图2 退火纯Cu、Cu-0.1Cr-0.1Zr、0.2-GNPs/CuCrZr和0.4-GNPs/CuCrZr丝的热导率、电导率和温升行为的测试结果。(a)热导率和电导率。（b）温升测试装置的示意图。(c，d，e，f)温升试验结果

图3退火纯Cu、Cu-0.1Cr-0.1Zr、0.2-GNPs/CuCrZr和0.4-GNPs/CuCrZr丝的拉伸性能测试结果。（a）室温拉伸应力-应变曲线。（b，c）0.2-GNPs/CuCrZr和（d，e）0.4-GNPs/CuCrZr复合丝拉伸断裂表面的SEM图像。

图4（本工作中GNPs/CuCrZr复合丝与文献中报道的各种材料的性能比较。（a）抗拉强度和电导率的比较【22，27–38】。（b）抗拉强度和热导率的比较【13，27，31，34，39–54】。

图5退火后的0.4-GNPs/CuCrZr复合丝和提取的GNPs的微观结构和相组成。（a，b）复合丝纵截面的SEM图像和相应的EDS元素图。（c）提取的GNPs的SEM图像、相应的EDS元素图、（d）拉曼光谱和（e）XRD图案

图6 a1-g1）拉制和（a2-g2）退火的0.4-GNPs/CuCrZr复合丝的纵截面的EBSD表征结果。（a1，a2）IPF图。（b1，b2）KAM地图。（c1，c2）晶界分布图。（d1，d2）再结晶分布图。（e1，e2）<111>纹理分布图。(f1，f2)<100>纹理分布图。（g1，g2）反极图。(h)纹理含量图。

图7退火后的0.4-GNPs/CuCrZr复合丝的TEM表征结果。（a）TEM-BF图像和相应的EDS元素图。（B）沿线B的线扫描元素分布轮廓。（C，D，E，F）区域C、D、E和F的HRTEM图像，以及相应的FFT图案。（g，h，i）Cu/Cr3C2、Cr3C2/GNPs和ZrC/GNPs界面的HRTEM图像，具有相应的FFT图案。

总结

这项工作基于与Cr和Zr的协同界面改性策略，使用涉及VHP、热挤压和冷拉的多步骤工艺成功制造了GNPs/CuCrZr复合丝。系统地研究了它们的力学性能、导热性、导电性和温升行为。结合微观结构表征和理论计算，深入分析了控制强化、电子散射和热传导行为的多尺度、多机制协同效应。以下是主要结论。

（1）0.4-GNPs/CuCrZr复合丝表现出高强度、高导热性和高电导率的突出协同作用。具体来说，它实现了426.8 W m−1 K−1（比纯Cu高9.5%）的热导率，521 MPa的抗拉强度（约为纯Cu的2.14倍），同时保持了高电导率（97.8% IACS）。在20A/mm2的电流密度下，其稳态温升（69.1◦C)明显低于纯Cu(88.4◦C），表明热管理应用的良好潜力。

（2）在高温下，Cr和Zr与GNPs反应原位形成Cr3C2和ZrC，建立牢固结合的Cu/Cr3C2（ZrC）/GNPs异质界面。在冷拉过程中，GNP 经历层间滑动并沿着AD 高度排列，形成用异质碳化物装饰的定向准连续链状网络。由于GNPs网络和碳化物的协同再结晶抑制作用，复合丝在退火后很大程度上保留了细长的晶粒结构，其特点是强<111>+弱<100>纤维织构和高位错密度。

（3）强化机制分析表明，位错强化是0.4-GNPs/CuCrZr复合丝的主导机制，占41.4%。电子散射机制的分析表明，与纯Cu相比，来自晶界、位错和碳化物/GNPs复合相的散射略微降低了电导率。

（4）基于界面的微观结构特征，建立了界面热阻模型，并对EMA导热系数模型进行了合理修正，阐明了导热机理。计算结果表明，Cu/Cr3C2（ZrC）/GNPs异质界面的构建有效地减轻了Cu/GNPs界面处的声子散射，从而降低了界面热阻。同时，轴向排列的GNPs的准连续链状网络形成高效的热传导途径。这两个因素之间的协同作用是复合丝导热性显著增强的主要原因。

本文来自“材料科学与工程”公众号，感谢论文作者团队支持。

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