石墨烯增強銅基復合材料制備工藝及性能的研究進展

作為常用的金屬材料，銅因強度較低而應用范圍受限，石墨烯具有優異的綜合性能，作為極具潛力的增強體而受到廣泛關注。石墨烯增強銅基復合材料兼具了銅和石墨烯的優良性能而成為了重要的研究對象。介紹了石墨烯增強銅基復合材料的制備工藝與綜合性能，重點討論了各種制備工藝的特點、強化機制、構型設計，總結了針對復合界面結合弱與石墨烯分散困難這2類主要技術難點的解決途徑，最后對石墨烯增強銅基復合材料的制備工藝進行了展望。

1 制備工藝

1.1 粉末冶金法

粉末冶金法是將石墨烯粉與銅粉通過球磨等方式混合，然后經過壓制與燒結進行致密化而獲得石墨烯增強銅基復合材料(Gr/Cu復合材料)的一種方法，其原理如圖1所示。

SALVO 等通過球磨將石墨烯納米片(GNSs)與銅粉混合，再通過真空熱壓燒結制備了GNSs/Cu復合材料；在球磨過程中石墨烯的潤滑作用使得銅粉冷焊傾向減小，粉末顆粒形狀趨于扁平細小，燒結后石墨烯分布于銅基體晶界處，在一定燒結壓力下適當降低燒結溫度有利于提高復合材料的力學性能和導電性。充分混料并燒結后制備的塊體復合材料可通過塑性變形加工，進一步降低復合材料孔隙率，實現完全致密化，改善增強體分布狀況并細化晶粒。WANG等采用片狀粉末冶金工藝與軋制變形相結合的方法制備出GNSs/Cu復合材料帶材，發現片狀粉末冶金工藝中的球磨可以有效將石墨片剝離為石墨烯，并與二維片狀銅粉結合良好，軋制后石墨烯在基體中分散良好，復合材料截面呈有序片層堆疊狀結構，其抗拉強度達330MPa，并擁有極高的彈性模量(170GPa)與優良的抗彎曲能力。

粉末冶金法作為石墨烯增強銅基復合材料最為成熟的制備工藝，對基體粉末與增強體的含量、尺寸、形狀等基本沒有限制，具有較高的可設計性，但混料過程易破壞石墨烯結構的完整性，降低石墨烯的強化效果。

1.2 分子級水平混合法

分子級水平混合法通過將氧化石墨烯(GO)與銅氨等含有Cu2+的溶液混合，使Cu2+吸附到GO表面，并在還原氣氛下高溫還原或使用水合肼(分子式N2H4·H2O)等強還原劑還原，得到還原氧化石墨烯(rGO)與銅的復合粉體，其原理如圖2所示；再經燒結后制得石墨烯增強銅基復合材料。

ZHANG等以石墨烯納米微片(GNPs)和GO為碳源，通過分子級水平混合法制備了GNPs/Cu、rGO/Cu和鍍鎳的GNPs-Ni/Cu 3種復合材料，發現：GNPs與銅基體界面處存在機械與冶金結合；GNPs-Ni與銅基體間存在銅鎳過渡層，使復合材料具有更高的負載能力，抗拉強度達281MPa，高于鍍鎳前的256MPa；rGO與銅基體界面處為富氧區域，二者形成了化學鍵合，改善了界面結合情況，復合材料的抗拉強度為278MPa，并擁有與純銅相當的塑性。分子級水平混合法的優點在于銅以離子形態吸附在GO表面，能有效防止團聚發生。WANG等通過在溶液中引入高剪切混合過程，進一步降低了石墨烯的團聚傾向，石墨烯在基體中分布更為均勻，并且得到的復合粉體粒徑更小，因此復合材料的力學性能顯著提升。YANG等研究發現，溶液酸堿度與溫度能夠很大程度影響復合粉體的微觀結構，銅在酸性環境下以片狀Cu2(OH)3Ac的形式存在，在堿性環境時生成Cu(OH)2以及CuO納米纖維，在低溫高剪切的作用下不穩定的片狀復合微板開始堆疊組裝形成微層結構，所制備的復合材料抗拉強度高達748MPa。綜上，分子級水平混合法可使石墨烯在溶液中具有良好的分散性，所制備出的復合材料界面結合強度較高。

1.3 化學氣相沉積法

化學氣相沉積法是以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或甲烷等含碳有機物為碳源，在一定反應條件下直接在基體金屬表面生成石墨烯從而得到復合粉體或石墨烯薄膜，再經燒結制得復合材料的工藝，其原理如圖3所示。

WANG等采用化學氣相沉積法以甲烷為碳源在銅粉表面生長石墨烯，該工藝下石墨烯可將銅粉完全覆蓋，有效防止銅顆粒氧化，燒結制備的復合材料硬度較純銅有顯著提高，并且具有與純銅相近的電阻率，同時石墨烯的表面潤滑作用使得復合材料具有良好的耐磨性能。通過化學氣相沉積法生成的石墨烯與銅粉體之間具有典型的包覆結構，另引入球磨破壞包覆結構后制備復合材料的抗拉強度較破壞前提高了52.3%，其斷裂伸長率達35.2%，同時具有較高的電導率；與包覆結構相比，非包覆結構更有利于粉體在燒結時的擴散，在粉體間形成較強的結合，從而使復合材料獲得較優的力學性能。

通過調控化學氣相沉積法的沉積參數可制備出層數可控的高質量石墨烯增強體，該石墨烯二維平面尺寸大并且與基體金屬結合良好，有利于使復合材料獲得較高的導電、導熱性能；但該工藝流程繁瑣，使用設備較為昂貴。

1.4 電化學沉積法

電化學沉積法是通過施加電流使沉積液中的石墨烯與銅在陰極金屬表面沉積得到復合粉體顆粒，如圖4所示，再經過洗滌、干燥、還原與燒結制備復合材料的工藝。

ZHAO等在采用電化學沉積法制備石墨烯增強銅基復合材料的過程中發現：隨著硫酸鎳與硫酸銅混合沉積液中石墨烯含量的增加，復合粉體中的銅顆粒尺寸、石墨烯厚度以及沉積液電導率均呈先減小后增大的趨勢；Cu2+吸附在石墨烯表面可以阻礙石墨烯的增厚與團聚，石墨烯添加過量則會使沉積液電導率降低，從而導致復合粉體顆粒沉積效率的下降；在沉積過程中鎳粒子被有效嵌入石墨烯中，促進了石墨烯與銅的結合,并存在(111)Cu//(1010)石墨烯與(222)Ni//(1010)石墨烯的取向關系；石墨烯與銅界面處存在Cu-O-C的鍵合，可顯著提高復合材料的硬度，當石墨烯質量分數為11.8%時，其硬度可達111.2HV，導電率為89.2%IACS。電化學沉積法更適合制備力、電學性能俱佳的復合材料箔材。SONG等采用電化學沉積法通過改變沉積電位在預先制備好的GO薄膜上下兩側沉積銅層，在沉積過程中GO還原成石墨烯從而形成復合箔材；石墨烯與銅箔結合緊密，撕裂斷口呈鋸齒狀，抗拉強度(535MPa)可達銅箔的2倍，導電性能與銅箔相當。

電化學沉積法制備過程簡單可控，設備成本低，制備過程中復合材料界面處銅晶格中的間隙氧原子通過共價鍵或離子鍵與銅相結合，提高了復合材料的力學性能，但石墨烯懸浮液穩定性較差的問題尚待解決。

1.5 靜電自組裝法

靜電自組裝法使用十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)在片狀銅粉表面引入正電荷，再通過超聲處理與GO溶液混合，二者在電荷作用下相互吸附形成復合漿料，再經干燥、還原、燒結制備得到復合材料，其原理如圖5所示。

ZHANG等研究發現，CTAB改性促進了Cu2O的形成，并在復合界面處搭建起了Cu-Cu2O-rGO的結構，延緩了復合材料在外力作用下發生斷裂的過程，載荷可以有效從基體銅向石墨烯傳遞，從而提高復合材料的強度。SHAO等結合化學鍍與靜電自組裝法制備了GNPs/Cu復合材料，發現在石墨烯表面化學鍍銅能有效改善石墨烯與銅的潤濕性，片狀銅粉顆粒較球狀銅粉顆粒具有更好的幾何匹配度，有利于石墨烯的吸附與均勻分散。靜電自組裝法能夠在對石墨烯結構不造成破壞的情況下完成石墨烯與銅的吸附結合，有利于改善石墨烯在基體中的分散情況。

1.6 變形復合法

變形復合法是通過對復合坯料進行高變形量的塑性變形，如累積疊軋、高壓扭轉等，利用變形力的作用完成復合材料的致密化并細化晶粒的一種工藝。

CHEN等通過累積疊軋方法對復合坯料施加高周期的塑性變形，使得石墨箔在強剪應力作用下原位剝離分層為石墨烯，并分散在銅基體中，所制備的復合材料硬度與抗拉強度均達到退火純銅的3倍以上，原位剝離形成的石墨烯對復合材料的強度貢獻極高，并與基體形成了較強的界面結合。KIM等以等速常規軋制與高速率差速軋制的組合工藝獲得了高度致密的石墨烯/銅復合板料，在差速軋制剪切力的作用下基體中的石墨烯發生碎裂，形成納米石墨烯顆粒并均勻分散在基體中。KORZNIKOVA等探索了采用高壓扭轉方式制備塊體石墨烯/銅復合材料的工藝，經過限定與非限定型兩步法高壓扭轉變形后的復合材料的硬度與純銅相比顯著提高，并且形成了心部硬度低、邊緣硬度高的梯度分布；在扭轉過程中石墨烯得到細化并分散在晶界處形成釘扎作用，復合材料脆性斷裂特征明顯，表現出類似陶瓷材料的超高硬度、低強度與低塑性的特征。

變形復合法可使復合材料中的孔隙閉合消失，晶粒顯著細化，在變形力的作用下石墨烯片發生剝離、破碎，使石墨烯與銅基體之間的機械結合得到增強，提高了載荷的傳遞能力，在犧牲一定塑性的前提下大幅提升復合材料的強度。

1.7 其他制備方法

除上述制備工藝外，電泳沉積法、攪拌摩擦法、噴涂法等也常用于制備石墨烯增強銅基復合材料。SINGH等通過電泳沉積法在極間電場的作用下使石墨烯在溶液中產生定向移動并在銅板表面沉積形成致密均勻的薄膜，提高了銅板表面的耐腐蝕性能。NAIK等通過攪拌摩擦的方式制備了石墨烯增強銅基復合材料，在攪拌摩擦的作用下石墨烯被分散到基體表面層中，攪拌區發生再結晶，晶粒尺寸細化幅度達94%以上，復合材料硬度得到了提高，同時導電率保持在97%IACS以上。CHOI等通過化學氣相沉積法在銅顆粒表面制備了石墨烯層，再用冷噴涂技術沉積了石墨烯/銅復合層，石墨烯結構損傷程度較低，有效降低了銅表面的摩擦因數與磨損率。為實現高自由度的復合材料構型設計，不少學者采用模板法制備出繼承模板結構的三維網絡增強體或多孔基體，再通過浸滲銅或原位生成石墨烯進行填充來制備復合材料。管振宏等使用納米多孔銅為基體制備了石墨烯增強銅基復合材料，石墨烯網絡的生成使復合材料的抗拉強度較純銅提升了34.69%，并保持了93.5%IACS的高導電率。

2 綜合性能與強韌化

2.1 力學性能

尋求材料強度的大幅度提升是石墨烯增強銅基復合材料的主要研究方向，表1列舉了采用不同工藝制備的石墨烯增強銅基復合材料的力學性能參數。復合材料的力學性能隨不同制備工藝有不同程度的提升，其中：分子級水平混合法、濕法混合、靜電自組裝法等對石墨烯結構損傷小，石墨烯的分散效果好，所制備復合材料的力學性能優異；差速軋制等塑性變形工藝有利于破碎并分散基體中的石墨烯，通過強烈的位錯釘扎與細晶強化獲得具有高強度、較低塑性的塊體材料；模板輔助原位合成法以及片狀粉末冶金工藝則通過復合材料組織構型設計，形成三維石墨烯網絡與層狀結構，使復合材料的強度得到進一步提高。石墨烯的添加能有效細化晶粒、阻礙位錯運動，達到提高強度的目的；添加石墨烯對于屈服強度的提升效果較為明顯，賦予復合材料較高的屈強比；石墨烯或其衍生物的本征參數，如平面尺寸、層數等以及石墨烯的質量及其在基體中的分散情況、界面結合情況都是影響復合材料力學性能的重要因素，一般石墨烯層數越少、結構損傷越小，則強化效果越好，同時小的平面尺寸有利于實現石墨烯在基體中的均勻分散，從而提高復合材料力學性能。研究表明，在變形過程中剪切行為除了發生在界面處，還可能發生在石墨烯的層間，而帶有空位型缺陷的石墨烯在剪切變形中表現出較強的剪切應變協調能力，使復合材料的強度與韌性得到提升；同時石墨烯因范德華力作用易于團聚、堆疊，團聚后的石墨烯所發揮的強化作用十分有限，并且會削弱復合材料的界面強度，使界面在外加載荷作用下易發生脫落并產生裂紋，最終導致復合材料力學性能的大幅度下降。

表1 不同工藝制備得到不同石墨烯增強銅基復合材料的力學性能

2.2 強韌化

2.2.1 強化機制

石墨烯在基體中的強化機制包括載荷轉移強化、細晶強化、熱失配強化與Orowan強化四大類。載荷轉移強化是指當復合材料受力時，載荷將通過界面被直接傳遞到石墨烯增強體上，使得復合材料的整體強度提高；該機制是復合材料最主要的強化機制，對復合材料強度提升的貢獻占比可達30%以上。復合材料屈服強度σs與基體材料屈服強度σsm的關系可采用修正后的shear-lag模型表示：

細晶強化是指在金屬中引入石墨烯，誘導晶粒細化從而提升復合材料強度。不同制備工藝對于基體晶粒細化程度的影響不同，如粉末冶金法、電化學沉積法均能實現石墨烯在晶界處釘扎從而阻礙晶粒長大。所制備的復合材料的屈服強度與晶粒尺寸之間滿足Hall-Petch關系：

熱失配強化是指復合材料在燒結或熱加工過程中因基體與石墨烯熱膨脹系數不匹配而發生局部塑性變形，在石墨烯周圍產生較高位錯密度的區域來阻礙位錯運動的一種強化機制。熱失配強化效果ΔσCET的表達式為：

Orowan強化是指由于石墨烯對銅基體的物理分隔阻礙了位錯運動，使位錯在石墨烯附近堆積分布，從而提高材料強度的一種強化機制。要使Orowan強化充分發揮作用，需要增強體尺寸為納米或亞微米級，并且分布在晶粒內部以限制晶內位錯移動，但石墨烯一般分布于晶界處，因此Orowan強化對于復合材料強度的提升作用較小。Orowan強化帶來的強度提升ΔσOrowan可由Orowan-Ashby公式表示：

2.2.2 構型設計

通過增強體結構改進與復合材料構型設計可以進一步實現復合材料的強韌化。YANG等將多壁碳納米管剪切展開制備了近一維的石墨烯納米帶(GNRs)，采用放電等離子燒結制得石墨烯增強銅基復合材料；經過軋制后組織中的納米帶與軋制方向平行，大角度晶界和孿晶的數量都明顯高于純銅，復合材料具有較高的應變硬化率與均勻延伸率。同時，受葉片結構的啟發，將多壁碳納米管外壁部分展開得到以中心碳納米管為脈、展開石墨烯納米帶為葉的仿生葉片狀復合增強體，該結構有助于提升載荷轉移效率，同時加劇變形的能量消耗，模擬結果表明納米帶部分所承受的載荷比脈部高出約10%。

在組織結構設計的探索方面，目前主要有仿生珍珠層狀結構、三維石墨烯增強體網絡結構、石墨烯定向排列結構等。XIONG等制備了仿杉木的多孔狀銅預制件，再通過石墨烯溶液浸漬預制件的方式，實現了仿生珍珠層狀復合材料的制備；通過石墨烯的拔出機制以及模仿珍珠貝所具有的“磚-泥”結構，使裂紋在材料層間偏轉來增加材料破壞時能量的耗散，復合材料斷裂時所需的能量可達相同工藝純銅的1.8倍，其韌性得到顯著增強。CHEN等以PMMA為碳源，通過化學氣相沉積法在銅粉上生長石墨烯并使其保留了基底銅粉的形貌，從而制備了具有連續三維石墨烯網絡的復合材料，其屈服強度為290MPa，較純銅提高了233.3%，增強體強化效率達116.1，該方法適用于制備各向同性的塊體材料。ZHANG等通過銅粒子修飾石墨烯并采用原位合成方法制備了具有非連續的三維石墨烯網絡結構的銅基復合材料；與連續網絡結構復合材料相比，該復合材料的晶粒細化效果更明顯，石墨烯的彌散分布造成的強度提升效果更為顯著，斷裂總延伸率較純銅提升了近40%。ZHANG等還在非連續石墨烯網絡結構基礎上進一步添加碳納米管，制備出由銅顆粒、碳納米管與石墨烯組成的混合增強體，進一步強化了載荷轉移與晶粒細化效果。CHU等則采用真空抽濾法制備了GNPs/Cu復合薄片，使基體中的石墨烯具有高度取向，復合材料力學性能表現出顯著的各向異性，復合材料在平行于石墨烯面內方向的強度達到垂直方向的2倍左右。軋制變形與熱壓燒結都有助于實現石墨烯的定向排列；復合材料在平行于排列方向的力學性能顯著高于垂直方向。

2.3 導電和導熱性能

石墨烯具有遠高于金屬銅的導電、導熱性能，可以作為功能性增強體以進一步提高材料的綜合性能，表2給出已有報道中不同石墨烯增強銅基復合材料的導電和導熱性能參數。采用化學氣相沉積方法制備的復合材料具有較優異的導電和導熱性能，這是由于化學氣相沉積法制備的石墨烯缺陷少，二維平面尺寸大，有利于電子的傳輸。石墨烯面內與層間熱導率具有極大差異，通過真空抽濾制備的復合材料中石墨烯具有高度的取向，能充分發揮石墨烯面內高熱導率的特點，使復合材料在特定方向獲得較優異的導熱性能。

表2 不同工藝制備得到不同石墨烯增強銅基復合材料的導電和導熱性能

石墨烯與銅之間的界面是影響復合材料導電、導熱性能的關鍵。與金屬依靠電子導熱不同，石墨烯的導熱載體為聲子；石墨烯與銅的非相干界面會減小聲子的平均自由程并影響電子的傳輸。由于石墨烯易團聚且與基體間潤濕性差，復合界面處會形成納米孔洞，影響電子與聲子的傳導，導致復合材料的導電、導熱性能大大降低。LI等采用4-乙炔基苯胺對石墨烯進行功能化處理，成功在石墨烯/銅界面上建立了離域共軛π鍵，形成了新的電子傳熱路徑，賦予復合材料優異的導熱性能，在100℃時的熱導率可達497W·m-1·K-1，為純銅的1.61倍。YANG等通過化學氣相沉積法制備了石墨烯平行分布的銅基復合材料，通過調整石墨烯層數控制材料熱導率各向異性，在石墨烯層數為5~6層時的熱導率可達394W·m-1·K-1。LEE等受海星表面結構的啟發，制備了海星表面狀石墨烯-銅微粒，使材料內部構建了垂直散熱網絡，極大提高了復合材料的垂直熱導率。QIAN等通過浸漬還原與原位生長法在GNPs/Cu復合界面處插入了低含量的稀土元素，生成的氧化釔牢固嵌入到石墨烯片上，界面處微量的氧化釔改善了GNPs/Cu的界面結合，使復合材料導電率從純銅的84.5%IACS上升到90%IACS。

基體金屬取向對復合材料導電、導熱性能的影響也是至關重要的。研究表明：采用化學氣相沉積法在銅箔上沉積石墨烯并堆疊燒結為具有微米/納米層狀結構的復合材料，有利于改善石墨烯在基體中的取向性，由于石墨烯的二維特征，復合材料沿石墨烯/銅界面方向獲得了較高的導電性；與多晶銅箔相比，采用單晶(111)銅箔作為基體制備的復合材料具有較優異的電子傳輸能力。

3 制備技術難點及解決措施

3.1 石墨烯的分散性

石墨烯的比表面積大，表面能高，易在溶液中團聚，使其強化效果發揮不完全，嚴重影響復合材料的綜合性能。為解決這一問題，制備中常用帶有含氧基團的GO，其良好的親水性能提高石墨烯在溶液中的分散性。但在制備GO過程中，石墨烯的本征結構會受到破壞，導致其強化效果下降，且后續的還原工藝無法徹底消除由制備過程引入的缺陷。除了上述方法，還可通過對石墨烯進行表面納米粒子修飾、改良混料過程來提高石墨烯分散性或用靜電自組裝法、分子級水平混合法等有利于改善石墨烯分散性的制備工藝。

TANG等以GNSs-Ni復合粉為增強體，采用放電等離子燒結制備了復合材料，鎳粒子可作為間隔顆粒阻礙石墨烯團聚。ZHAO等則采用化學鍍銅的方法改善GNPs在復合材料中的分散情況，從而制備出力學性能優異的復合材料。SABOORI等研究發現，濕法混合后石墨烯均勻分布于基體晶粒的晶界處，引起晶粒細化，同時石墨烯的結構在混料前后基本沒有變化，而球磨會使石墨烯中引入大量結構缺陷，因此濕法混合更適用于復合材料的制備。對有石墨烯的溶液體系進行超聲處理，借助超聲空化效應產生的沖擊波與剪切力可使團聚在一起的石墨烯分散開來；超聲功率越大，分散效果越好，但同時也容易使石墨烯表面產生空位缺陷。除此之外，還可通過在溶液中添加如CTAB、十二烷基硫酸鈉(SDS)、十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)等表面活性劑來改善石墨烯在溶液中的分散性。采用靜電自組裝法、分子水平混合法等制備工藝，依靠電荷作用與金屬粒子阻隔的方式也可有效改善石墨烯在基體中的團聚傾向。

3.2 石墨烯與銅的界面結合情況

石墨烯與銅之間的潤濕性較差，難以形成強界面結合，導致載荷轉移強化效果減弱。當界面結合較弱時，界面易在載荷作用下先開裂并破壞材料內部組織連續性，使材料綜合性能下降。大多數制備工藝通過單一的燒結完成材料的致密化，石墨烯與銅之間形成單純的機械結合。目前主要采用基體合金化、石墨烯表面處理或化學氣相沉積法、變形復合法等制備工藝來提高界面結合強度。

基體合金化一般利用合金與石墨烯在界面處形成的新過渡層來改善界面結合情況，提高載荷傳遞的能力。CHU等在銅基體中加入原子分數約0.2%的鉻后，rGO/CuCr界面處原位形成了Cr7C3的中間層，提高了載荷傳遞的效率，增強了石墨烯的釘扎作用。LUO等制備了Ag-rGO增強體，通過納米銀粒子修飾石墨烯的方式改善了石墨烯與銅基體的界面結合情況，所制備復合材料的導電、導熱性能均有明顯提高。采用金屬粒子修飾石墨烯時，要求所用的金屬粒子與石墨烯、銅之間均具有良好的潤濕性，因此常采用與銅可形成固溶體的鎳與銀粒子。但是基體合金化與納米粒子修飾在改善復合材料界面結合情況的同時，會影響電子、聲子的傳輸，因此僅允許添加少量的合金元素與修飾粒子。CHU等將石墨烯進行等離子體處理。使石墨烯表面產生若干直徑為5~10nm的孔洞，燒結時孔洞處原位生成銅氧化物，從而改善石墨烯與基體的界面結合情況，提升了復合材料的力學性能。使用聚乙烯醇(PVA)對銅粉進行化學改性，GO上的含氧基團與銅粉上PVA分子所帶的-OH有較強的結合力；以PVA分子為中間橋梁連接銅粉與石墨烯，可以實現良好的界面結合。參考化學氣相沉積法與變形復合法，可采用在基體上直接生長增強體的方式或引入軋制、擠壓、扭轉等變形方法有效增強界面處的機械結合。

4 結束語

將石墨烯應用于制備金屬基復合材料有望實現金屬材料綜合性能的全面提升，有助于金屬材料應用領域的拓寬，滿足日趨嚴苛的性能要求。目前，石墨烯增強銅基復合材料的實際性能均低于理論預測數值，并且存在較大的差距，其原因包括：(1)石墨烯在球磨、酸洗氧化、超聲處理等過程中易發生結構損傷，導致本征強度降低，強化效果弱化；(2)石墨烯易發生團聚，現有的分散方法主要為機械分散方法，如超聲處理、機械球磨等,在溶液環境中添加表面活性劑雖有助于石墨烯的分散與懸浮液的穩定，但活性劑的添加將會影響界面的結合強度；(3)石墨烯與銅的潤濕性較差，現有工藝制備的復合材料在石墨烯/銅界面處的結合依然以結合強度較差的機械結合為主；(4)石墨烯具有顯著的各向異性，面內與層間的性能截然不同，制備的復合材料中石墨烯分布常呈現混亂無序的狀態，無法完全發揮石墨烯的強化效果。

針對目前存在的問題，考慮到現有的制備工藝，未來還需進一步改善石墨烯的分散工藝，保證石墨烯的結構完整，并通過在石墨烯/銅界面處引入較多的反應類型鍵合，以改善因潤濕性差而造成的低界面強度，同時應避免反應過程中極脆相的生成所造成的材料塑韌性的大幅下降。在構型方面，應參照自然界中的高強韌結構進行構型設計，從粗獷的結構模仿逐步向精細的強化機理模仿轉變，盡可能地將自然結構的強化效應在復合材料中復現，進一步提高復合材料的性能。