该文档报告了一项关于石墨烯薄膜/铜-锆合金复合材料（GF/Cu-Zr）在热管理应用中的优越热导性的研究。该研究主要由来自不同科研机构的学者共同完成，文章于2022年12月在《ACS Applied Materials & Interfaces》期刊上发表。
随着电子设备功率密度的持续增长，热管理材料的热导性能亟待提高，以解决电子设备散热问题。石墨烯因其极高的热导率（接近5000 W/m·K）成为金属基复合材料的理想增强材料。然而，单层或少层石墨烯的实际热导率通常未能达到预期，原因在于石墨烯的热导性存在明显的各向异性，且在金属基复合材料中，石墨烯常常出现团聚现象。因此，本研究的主要目标是通过采用石墨烯薄膜（Graphene Film，GF）作为增强材料，并将其与铜-锆合金（Cu-Zr）结合，以解决石墨烯增强金属基复合材料中存在的对齐度低和负载量不足的问题，从而显著提高复合材料的热导率。
研究中使用了厚度约为100 μm的石墨烯薄膜（GF）以及不同锆含量（0.0，0.2和0.4 wt %）的铜-锆合金（Cu-Zr）。石墨烯薄膜的制备过程包括四个步骤：首先制备氧化石墨（GO），然后通过自组装方法将GO排列成有序结构，接着进行高温退火，最后通过机械压制制成薄膜。在铜-锆合金的制备中，采用了真空感应熔炼技术，使用纯铜（99.999 wt %）和锆（99.99 wt %）作为原料。
制备GF/Cu-Zr复合材料的关键步骤是将石墨烯薄膜与铜-锆合金相结合。首先，石墨烯薄膜通过双面胶带与合适厚度的胶带结合，然后卷成圆柱形状，形成具有螺旋分布的石墨烯薄膜预制体。接着，将该预制体放入石墨模具中，在873 K下加热以获得螺旋分布的石墨烯薄膜结构。然后，将该结构浸入含有纯铜粉末的乙醇浆料中，通过气压渗透法将铜合金渗入石墨烯薄膜的螺旋间隙中。
研究通过多种表征手段对GF和GF/Cu-Zr复合材料的微观结构进行了观察。扫描电子显微镜（SEM）用于表征表面形貌，X射线衍射（XRD）用于分析石墨烯薄膜的晶体结构，拉曼光谱（Raman）用于分析石墨烯的质量和缺陷特征，热重分析（TGA）用于测定材料的热稳定性。此外，热导率的测量通过激光闪光法进行，考虑到了材料在不同方向的热扩散性。
研究还使用了分子动力学模拟（MD）和弥散失配模型（Diffuse Mismatch Model，DMM）来进一步分析GF/Cu-Zr复合材料界面的热导性能。特别是，对于石墨烯薄膜/铜合金界面的热传导特性，通过界面热阻（Thermal Resistance，R）模型进行了理论计算和实验验证。
研究表明，GF/Cu-Zr复合材料在轴向的热导率可达到820 W/m·K，远高于常规的石墨烯/铜复合材料（通常低于500 W/m·K）。这种显著提升的热导率归因于石墨烯薄膜的优异排列结构。通过界面改性和石墨烯薄膜的有序排列，有效地减少了热阻，增强了热导性。
此外，GF/Cu-Zr复合材料表现出了显著的热导各向异性，轴向热导率远高于径向热导率，这一特性使得复合材料在某些应用中具有独特优势。例如，轴向热导率较高有助于电子设备的定向散热，而径向热导率较低则有助于减少热量向周围环境的扩散。
通过对GF/Cu-Zr复合材料的微观结构分析发现，锆（Zr）元素在铜基体中主要位于铜晶界，并在石墨烯薄膜与铜合金的界面处形成了一个薄的ZrC层。此ZrC层的存在显著改善了界面的化学结合力和热导性。通过改变锆的添加量，可以控制ZrC层的厚度，进而影响复合材料的热导性能。研究发现，当锆含量为0.2 wt %时，界面热阻最小，复合材料的热导率达到最大值。
GF/Cu-Zr复合材料中的石墨烯薄膜不仅在微观尺度上具有优异的排列性，而且在宏观尺度上也形成了良好的热导通道。这些热导通道为热载体（声子）的传播提供了高速通道，从而显著提高了复合材料的热传导效率。石墨烯薄膜的高负载量和良好的对齐性使得复合材料能够有效地传导热量。
本研究提出了一种新型的石墨烯薄膜/铜-锆合金复合材料，具有优异的热导性能和良好的热导各向异性。通过合理的界面改性和石墨烯薄膜的高对齐度，成功解决了传统石墨烯/金属基复合材料中存在的团聚和对齐度不足的问题。研究结果不仅为高性能热管理材料的开发提供了新的思路，也为石墨烯基复合材料的实际应用奠定了基础。
本研究具有重要的科学价值和应用前景，特别是在电子设备散热、能源转换以及高功率电子器件的热管理领域，具有广泛的应用潜力。