铜基复合材料在现代工业中兼具结构功能重要性，却长期面临强度-导电性权衡难题：传统强化方法（如合金化、纳米增强）往往以牺牲导电性为代价提升强度，制约其在高端领域的应用。自然界生物材料（如竹子、骨骼）通过多尺度层级结构实现性能协同，为突破此矛盾提供灵感。然而，现有仿生设计多局限于单维层状堆叠，缺乏跨尺度功能协同。本研究通过自组装与切割-重组工艺，构建具有双网络系统的仿生铜基复合材料，结合宏观铜套与多核DIGFs/Cu亚单元，分别优化力学承载与电子传输路径，为协同提升强度与导电性提供新策略。
 

图1. (a) 骨骼和竹子的微观结构 (b) BOMC线材制备过程示意图 (c) 竹子与BOMC的结构-功能协同示意图
1. 生物结构特征解析
图1(a)展示了两种天然生物材料的微观结构特征，为后续仿生设计提供理论基础：

• 骨骼：具有典型的骨单元（Osteons）同心层状结构，这种排列方式赋予骨骼优异的力学性能
• 竹子：纤维细胞壁呈现同心多层结构，形成独特的宏观骨架支撑体系

2. 制备工艺详解
图1(b)系统展示了BOMC线材的完整制备流程：

• 自组装过程：通过Gr@Cu自组装形成基础结构单元
• 切割-重组工艺：实现宏观结构的精确调控
• 冷拉拔加工：最终获得具有取向多核结构的复合材料线材

3. 结构-功能映射关系
图1(c)揭示了仿生设计的核心思想，建立了清晰的对应关系：

• 竹子细胞壁 → DIGFs/Cu亚单元：承担主要力学增强功能
• 竹子的导管/筛管 → DIGFs和铜套：提供快速电子传输通道
• 双网络系统：分别优化力学承载路径和电学传输效率

设计理念总结
该示意图完整呈现了从自然灵感获取到材料制备的全过程，体现了"结构决定功能"的仿生设计理念，为突破传统材料性能瓶颈提供了创新思路。
 

图2. (a) 线径2mm BOMC复合材料的IPF图 (b) 线径1mm BOMC复合材料的IPF图 (c) 线径0.5mm BOMC复合材料的IPF图及400°C退火1小时后的IPF图 (d) 线径0.08mm BOMC复合材料的IPF图及400°C退火1小时后的IPF图
1. 实验设计思路
图2通过对比不同线径和热处理条件下的IPF（反极图）图像，系统展示了BOMC复合材料的微观结构演化规律：
2. 冷拉拔变形影响分析
晶粒尺寸演变：

• 线径从2mm减小到0.08mm过程中，平均晶粒尺寸从约5μm细化至200nm
• DIGFs/Cu亚单元区域晶粒细化更显著，表明DIGFs产生晶界钉扎效应

织构变化特征：

• 随着变形量增加，复合材料织构从<001>向密排晶面<111>转变
• 冷拉拔导致沿拉拔方向的明显择优取向

3. 退火处理效果解析
Cu套区域：

• 伸长条状晶粒转变为新的等轴晶
• 表明该区域发生完全再结晶

DIGFs/Cu亚单元区域：

• 晶粒形状和尺寸变化较小
• DIGFs有效抑制再结晶和晶粒长大，证实其晶界钉扎作用

4. 结构稳定性验证
通过对比退火前后的IPF图，证实了：

• DIGFs在高温下仍能保持结构稳定性
• 多核架构设计在热处理过程中保持完整
• 为材料的高温应用提供微观结构保障

科学价值总结
该组图通过系统的实验设计，揭示了BOMC复合材料在塑性变形和热处理过程中的微观结构演化规律，为理解其优异的力学-电学协同性能提供了直接的实验证据。
 

图3. (a) 铜套区域的明场像 (b,c) DIGFs/Cu亚单元区域的明场像 (d) DIGFs的高分辨透射电镜图像 (e,f) 形变孪晶和DIGFs的明场像、高分辨图像及对应的快速傅里叶变换花样 (g-i) 形变孪晶和9R相的高分辨图像
1. 微观结构特征分析
图3通过透射电镜技术深入揭示了BOMC复合材料的纳米尺度结构特征：
2. 区域结构对比
铜套区域特征：

• 冷拉拔变形导致Cu晶粒沿拉拔方向伸长
• 晶粒内部存在高密度位错，表现为典型的严重塑性变形特征

DIGFs/Cu亚单元区域：

• DIGFs主要分布在晶界处，部分分布于晶粒内部
• 形成有效的增强相网络结构，为力学性能提升奠定基础

3. DIGFs结构解析
高分辨图像显示DIGFs具有多层不连续结构：

• 这种特殊形貌源于冷拉拔过程中石墨烯的破碎和重组
• 不连续结构有助于减少界面缺陷，优化电子传输路径

4. 变形机制研究
形变孪晶与9R相的协同作用：

• 9R相作为孪晶生长的台阶，通过界面迁移促进形变孪晶形成
• 在9R相界附近观察到大量堆垛层错
• 堆垛层错在不共格孪晶界处积累，促进9R相形成

5. 强化机制揭示
孪晶-DIGFs协同效应：

• 形变孪晶与DIGFs共同作用，实现晶粒细化和强度提升
• 这种多尺度强化机制是突破强度-导电性权衡的关键

科学意义
该组图像首次在纳米尺度揭示了BOMC复合材料中DIGFs与形变孪晶的相互作用机制，为理解其优异的力学-电学协同性能提供了直接的实验证据，也为后续仿生复合材料设计提供了重要的理论指导。
 

图4. (a,b) BOMC复合材料(0.5mm, 400°C退火1小时)铜套区域中退火孪晶的明场像和选区电子衍射花样 (c,d) BOMC复合材料(0.5mm, 400°C退火1小时)DIGFs/Cu亚单元区域的明场像 (e,f) 退火后DIGFs的高分辨图像及对应的快速傅里叶变换花样 (g,h) BOMC复合材料(0.08mm)的明场像 (i) BOMC复合材料(0.08mm, 400°C退火1小时)的明场像
1. 退火处理对比研究
图4系统展示了不同线径BOMC复合材料在400°C退火处理后的微观结构演化：
2. 区域差异性分析
铜套区域结构转变：

• 伸长条状Cu晶粒转变为等轴晶，发生完全再结晶
• 晶粒内部出现退火孪晶，表明再结晶过程完成
• 位错密度显著降低，有利于电子传导性能提升

DIGFs/Cu亚单元区域稳定性：

• Cu晶粒保持伸长条状，未发生明显再结晶
• DIGFs稳定分布在晶界和晶内位置
• 证实DIGFs对晶界迁移具有强烈钉扎作用

3. DIGFs结构稳定性验证
高分辨图像显示退火后DIGFs仍保持多层不连续结构：

• 高温处理后结构完整性良好，无显著降解
• FFT花样证实晶体结构稳定性
• 为复合材料的高温应用提供保障

4. 超细线径结构特征
线径0.08mm样品的纳米结构：

• DIGFs/Cu亚单元区域平均晶粒尺寸小于200nm
• Cu套与DIGFs/Cu亚单元界面清晰可见
• 形成明显的"壳-核"分级结构

5. 热稳定性机制
DIGFs的晶界钉扎效应：

• 在晶界和晶内分布的DIGFs有效抑制再结晶和晶粒粗化
• 即使经过400°C退火，亚单元区域晶粒尺寸仍保持稳定
• 这种结构稳定性是材料保持高强度的重要原因

科学价值
该组图像证实了BOMC复合材料优异的热稳定性，揭示了DIGFs在高温下的结构稳定性和晶界钉扎机制，为开发高性能高温应用铜基复合材料提供了重要的实验依据和理论指导。
 

图5. (a) BOMC复合材料的应力-应变曲线 (b) 退火处理BOMC复合材料的应力-应变曲线 (c) BOMC复合材料的电导率 (d) 抗拉强度与电导率关系对比[25-53]
1. 力学性能分析
图5(a)展示了BOMC复合材料在不同冷拉拔变形量下的力学性能演变：
冷拉拔状态性能特征：

• 随着线径从2mm减小到0.08mm，抗拉强度从约300MPa提升至596MPa
• 变形量增加导致晶粒细化和位错密度增加，显著提升强度
• 线径0.08mm样品达到最高强度597MPa

2. 退火处理影响
图5(b)显示了退火处理对材料性能的调控作用：

• 300°C退火1小时：强度降至310-325MPa，塑性明显改善
• 400°C退火1小时：强度进一步降至250-280MPa
• 塑性显著提升：线径0.5mm样品伸长率从0.8%增加至19.15%
• 退火消除内应力，促进位错重排，改善塑性但降低强度

3. 电学性能演变
图5(c)揭示了电导率的变化规律：

• 冷拉拔状态：电导率从94.8% IACS（线径2mm）降至92.6% IACS（线径0.08mm）
• 退火处理后：线径0.08mm样品电导率从92.6%提升至98.1% IACS
• 退火消除晶格缺陷，减少电子散射，显著提升导电性

4. 性能突破验证
图5(d)通过与传统材料的对比，证实BOMC复合材料的性能优势：

• 突破强度-导电性权衡：在90-100% IACS电导率范围内获得更高强度
• 性能组合优异：
  • 冷拉状态：92.6% IACS + 596MPa
  • 退火状态：98.1% IACS + 256MPa
• 显著优于传统Gr/Cu复合材料、铜合金和纯铜线材

科学意义
该组图像通过系统的性能测试和数据对比，充分验证了BOMC复合材料在突破传统强度-导电性权衡方面的显著优势，为高性能铜基复合材料的开发提供了重要的实验依据和性能基准。
       本研究受自然界层级结构-性能协同的启发，设计了一种具有双网络系统的仿生石墨烯铜复合材料。微观结构表征证实，冷拉工艺细化了晶粒尺寸并诱导形成 DIGFs。这些 DIGFs 在基体中呈同心圆周取向，即使经过高温退火仍能钉扎晶界，抑制再结晶和晶粒粗化。在冷拉状态下，材料抗拉强度达 597 MPa，导电率为 92.6% IACS。TEM 观察和有限元模拟揭示了性能优化的内在机制：在力学方面，取向多核结构通过界面位错塞积和应力分布实现强度提升；在电学方面，纯铜路径和高导电性 DIGFs 保障了高导电性。此外，DIGFs 与形变孪晶的协同效应使材料在退火后仍保持较高强度。总之，本研究突破了传统的强度-导电性权衡限制，更重要的是，为开发满足性能冲突需求的先进材料提供了新策略。DOI:10.1080/21663831.2026.2617410

转自《石墨烯研究》公众号