銅基復合材料在現代工業中兼具結構功能重要性，卻長期面臨
強度-導電性權衡難題：傳統強化方法（如合金化、納米增強）往往以犧牲導電性為代價提升強度，制約其在高端領域的應用。自然界生物材料（如竹子、骨骼）通過
多尺度層級結構實現性能協同，為突破此矛盾提供靈感。然而，現有仿生設計多局限于單維層狀堆疊，缺乏跨尺度功能協同。本研究通過
自組裝與切割-重組工藝，構建具有雙網絡系統的仿生銅基復合材料，結合宏觀銅套與多核DIGFs/Cu亞單元，分別優化力學承載與電子傳輸路徑，為協同提升強度與導電性提供新策略。
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圖1. (a) 骨骼和竹子的微觀結構 (b) BOMC線材制備過程示意圖 (c) 竹子與BOMC的結構-功能協同示意圖
1. 生物結構特征解析
圖1(a)展示了兩種天然生物材料的微觀結構特征，為后續仿生設計提供理論基礎：
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骨骼：具有典型的骨單元（Osteons）同心層狀結構，這種排列方式賦予骨骼優異的力學性能
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竹子：纖維細胞壁呈現同心多層結構，形成獨特的宏觀骨架支撐體系
2. 制備工藝詳解
圖1(b)系統展示了BOMC線材的完整制備流程：
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自組裝過程：通過Gr@Cu自組裝形成基礎結構單元
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切割-重組工藝：實現宏觀結構的精確調控
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冷拉拔加工：最終獲得具有取向多核結構的復合材料線材
3. 結構-功能映射關系
圖1(c)揭示了仿生設計的核心思想，建立了清晰的對應關系：
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竹子細胞壁 → DIGFs/Cu亞單元：承擔主要力學增強功能
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竹子的導管/篩管 → DIGFs和銅套：提供快速電子傳輸通道
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雙網絡系統：分別優化力學承載路徑和電學傳輸效率
設計理念總結
該示意圖完整呈現了從自然靈感獲取到材料制備的全過程，體現了"結構決定功能"的仿生設計理念，為突破傳統材料性能瓶頸提供了創新思路。
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圖2. (a) 線徑2mm BOMC復合材料的IPF圖 (b) 線徑1mm BOMC復合材料的IPF圖 (c) 線徑0.5mm BOMC復合材料的IPF圖及400°C退火1小時后的IPF圖 (d) 線徑0.08mm BOMC復合材料的IPF圖及400°C退火1小時后的IPF圖
1. 實驗設計思路
圖2通過對比不同線徑和熱處理條件下的IPF（反極圖）圖像，系統展示了BOMC復合材料的微觀結構演化規律：
2. 冷拉拔變形影響分析
晶粒尺寸演變：
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線徑從2mm減小到0.08mm過程中，平均晶粒尺寸從約5μm細化至200nm
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DIGFs/Cu亞單元區域晶粒細化更顯著，表明DIGFs產生晶界釘扎效應
織構變化特征：
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隨著變形量增加，復合材料織構從<001>向密排晶面<111>轉變
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冷拉拔導致沿拉拔方向的明顯擇優取向
3. 退火處理效果解析
Cu套區域：
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伸長條狀晶粒轉變為新的等軸晶
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表明該區域發生完全再結晶
DIGFs/Cu亞單元區域：
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晶粒形狀和尺寸變化較小
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DIGFs有效抑制再結晶和晶粒長大，證實其晶界釘扎作用
4. 結構穩定性驗證
通過對比退火前后的IPF圖，證實了：
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DIGFs在高溫下仍能保持結構穩定性
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多核架構設計在熱處理過程中保持完整
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為材料的高溫應用提供微觀結構保障
科學價值總結
該組圖通過系統的實驗設計，揭示了BOMC復合材料在塑性變形和熱處理過程中的微觀結構演化規律，為理解其優異的力學-電學協同性能提供了直接的實驗證據。
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圖3. (a) 銅套區域的明場像 (b,c) DIGFs/Cu亞單元區域的明場像 (d) DIGFs的高分辨透射電鏡圖像 (e,f) 形變孿晶和DIGFs的明場像、高分辨圖像及對應的快速傅里葉變換花樣 (g-i) 形變孿晶和9R相的高分辨圖像
1. 微觀結構特征分析
圖3通過透射電鏡技術深入揭示了BOMC復合材料的納米尺度結構特征：
2. 區域結構對比
銅套區域特征：
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冷拉拔變形導致Cu晶粒沿拉拔方向伸長
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晶粒內部存在高密度位錯，表現為典型的嚴重塑性變形特征
DIGFs/Cu亞單元區域：
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DIGFs主要分布在晶界處，部分分布于晶粒內部
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形成有效的增強相網絡結構，為力學性能提升奠定基礎
3. DIGFs結構解析
高分辨圖像顯示DIGFs具有
多層不連續結構：
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這種特殊形貌源于冷拉拔過程中石墨烯的破碎和重組
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不連續結構有助于減少界面缺陷，優化電子傳輸路徑
4. 變形機制研究
形變孿晶與9R相的協同作用：
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9R相作為孿晶生長的臺階，通過界面遷移促進形變孿晶形成
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在9R相界附近觀察到大量堆垛層錯
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堆垛層錯在不共格孿晶界處積累，促進9R相形成
5. 強化機制揭示
孿晶-DIGFs協同效應：
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形變孿晶與DIGFs共同作用，實現晶粒細化和強度提升
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這種多尺度強化機制是突破強度-導電性權衡的關鍵
科學意義
該組圖像首次在納米尺度揭示了BOMC復合材料中DIGFs與形變孿晶的相互作用機制，為理解其優異的力學-電學協同性能提供了直接的實驗證據，也為后續仿生復合材料設計提供了重要的理論指導。
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圖4. (a,b) BOMC復合材料(0.5mm, 400°C退火1小時)銅套區域中退火孿晶的明場像和選區電子衍射花樣 (c,d) BOMC復合材料(0.5mm, 400°C退火1小時)DIGFs/Cu亞單元區域的明場像 (e,f) 退火后DIGFs的高分辨圖像及對應的快速傅里葉變換花樣 (g,h) BOMC復合材料(0.08mm)的明場像 (i) BOMC復合材料(0.08mm, 400°C退火1小時)的明場像
1. 退火處理對比研究
圖4系統展示了不同線徑BOMC復合材料在400°C退火處理后的微觀結構演化：
2. 區域差異性分析
銅套區域結構轉變：
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伸長條狀Cu晶粒轉變為等軸晶，發生完全再結晶
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晶粒內部出現退火孿晶，表明再結晶過程完成
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位錯密度顯著降低，有利于電子傳導性能提升
DIGFs/Cu亞單元區域穩定性：
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Cu晶粒保持伸長條狀，未發生明顯再結晶
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DIGFs穩定分布在晶界和晶內位置
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證實DIGFs對晶界遷移具有強烈釘扎作用
3. DIGFs結構穩定性驗證
高分辨圖像顯示退火后DIGFs仍保持
多層不連續結構：
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高溫處理后結構完整性良好，無顯著降解
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FFT花樣證實晶體結構穩定性
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為復合材料的高溫應用提供保障
4. 超細線徑結構特征
線徑0.08mm樣品的納米結構：
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DIGFs/Cu亞單元區域平均晶粒尺寸小于200nm
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Cu套與DIGFs/Cu亞單元界面清晰可見
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形成明顯的"殼-核"分級結構
5. 熱穩定性機制
DIGFs的晶界釘扎效應：
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在晶界和晶內分布的DIGFs有效抑制再結晶和晶粒粗化
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即使經過400°C退火，亞單元區域晶粒尺寸仍保持穩定
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這種結構穩定性是材料保持高強度的重要原因
科學價值
該組圖像證實了BOMC復合材料優異的熱穩定性，揭示了DIGFs在高溫下的結構穩定性和晶界釘扎機制，為開發高性能高溫應用銅基復合材料提供了重要的實驗依據和理論指導。
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圖5. (a) BOMC復合材料的應力-應變曲線 (b) 退火處理BOMC復合材料的應力-應變曲線 (c) BOMC復合材料的電導率 (d) 抗拉強度與電導率關系對比[25-53]
1. 力學性能分析
圖5(a)展示了BOMC復合材料在不同冷拉拔變形量下的力學性能演變：
冷拉拔狀態性能特征：
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隨著線徑從2mm減小到0.08mm，抗拉強度從約300MPa提升至596MPa
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變形量增加導致晶粒細化和位錯密度增加，顯著提升強度
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線徑0.08mm樣品達到最高強度597MPa
2. 退火處理影響
圖5(b)顯示了退火處理對材料性能的調控作用：
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300°C退火1小時：強度降至310-325MPa，塑性明顯改善
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400°C退火1小時：強度進一步降至250-280MPa
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塑性顯著提升：線徑0.5mm樣品伸長率從0.8%增加至19.15%
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退火消除內應力，促進位錯重排，改善塑性但降低強度
3. 電學性能演變
圖5(c)揭示了電導率的變化規律：
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冷拉拔狀態：電導率從94.8% IACS（線徑2mm）降至92.6% IACS（線徑0.08mm）
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退火處理后：線徑0.08mm樣品電導率從92.6%提升至98.1% IACS
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退火消除晶格缺陷，減少電子散射，顯著提升導電性
4. 性能突破驗證
圖5(d)通過與傳統材料的對比，證實BOMC復合材料的性能優勢：
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突破強度-導電性權衡：在90-100% IACS電導率范圍內獲得更高強度
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性能組合優異：
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冷拉狀態：92.6% IACS + 596MPa
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退火狀態：98.1% IACS + 256MPa
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顯著優于傳統Gr/Cu復合材料、銅合金和純銅線材
科學意義
該組圖像通過系統的性能測試和數據對比，充分驗證了BOMC復合材料在突破傳統強度-導電性權衡方面的顯著優勢，為高性能銅基復合材料的開發提供了重要的實驗依據和性能基準。
本研究受自然界層級結構-性能協同的啟發，設計了一種具有雙網絡系統的仿生石墨烯銅復合材料。微觀結構表征證實，冷拉工藝細化了晶粒尺寸并誘導形成 DIGFs。這些 DIGFs 在基體中呈同心圓周取向，即使經過高溫退火仍能釘扎晶界，抑制再結晶和晶粒粗化。在冷拉狀態下，材料抗拉強度達 597 MPa，導電率為 92.6% IACS。TEM 觀察和有限元模擬揭示了性能優化的內在機制：在力學方面，取向多核結構通過界面位錯塞積和應力分布實現強度提升；在電學方面，純銅路徑和高導電性 DIGFs 保障了高導電性。此外，DIGFs 與形變孿晶的協同效應使材料在退火后仍保持較高強度。總之，本研究突破了傳統的強度-導電性權衡限制，更重要的是，為開發滿足性能沖突需求的先進材料提供了新策略。DOI:10.1080/21663831.2026.2617410
轉自《石墨烯研究》公眾號
