石墨因其高导电性、热稳定性及自润滑特性，在工业领域占据重要地位。然而，其多孔结构和脆性限制了承载能力与耐磨性。金属浸渍技术通过填充石墨孔隙并形成复合界面，显著提升材料性能，成为高性能复合材料的研究热点。本文从原理、制备方法到应用场景，系统解析金属浸渍石墨的技术突破与产业价值。

　　一、金属浸渍石墨的原理与机制

　　金属浸渍的核心在于利用石墨的多孔结构(孔隙率通常为25%-40%)，通过物理或化学方法将液态或熔融金属渗入孔道，固化后形成连续金属相与石墨基体的复合结构。

　　1. 浸润动力学

　　金属需具备低表面能以自发填充石墨孔隙。铜、铝等低熔点金属可通过高温熔渗实现浸润，而钛、铬等高熔点金属需借助压力或化学气相沉积(CVD)辅助。浸润过程中，毛细管效应主导流体扩散，孔径均匀性直接影响浸渍均匀度。

　　2. 界面结合机制

　　金属与石墨的界面结合方式包括：

　　- 机械锚合：金属冷却收缩时嵌入石墨层间，形成机械互锁；

　　- 化学键合：通过表面改性(如氧化处理)引入羧基或羟基，与金属形成化学键；

　　- 扩散结合：高温下金属原子与碳原子相互扩散，形成固溶体或碳化物过渡层。

　　二、制备工艺与技术路径

　　金属浸渍石墨的制备需平衡效率与性能，主流方法包括：

　　1. 高温熔渗法

　　将石墨预制体与金属箔叠加，在惰性气氛中加热至金属熔点以上(如铜熔点1083℃)，利用压力(5-20 MPa)促进熔融金属渗透。此方法适用于铜、铝等中低温金属，但易导致石墨基体热损伤。

　　2. 化学镀与电沉积

　　通过电解或化学还原将金属离子沉积于石墨孔隙。例如，镍的电沉积可在常温下进行，但需预处理石墨表面以提高附着力；化学镀镍则依赖次磷酸盐还原，适合复杂形状构件。

　　3. 粉末冶金法

　　将金属粉末与石墨混合成型后烧结，金属颗粒在高温(800-1200℃)下熔化并填充孔隙。该方法可调控金属含量，但需解决烧结收缩与孔隙封闭问题。

　　三、性能优势与局限性

　　金属浸渍石墨的复合结构赋予其性能：

　　1. 力学性能提升

　　- 抗压强度：铜浸渍石墨的抗压强度可达150-200 MPa，较纯石墨(30-50 MPa)提高3-4倍；

　　- 耐磨性：金属相减少摩擦界面的直接接触，摩擦系数从0.2-0.3降至0.1以下；

　　- 抗热震性：金属相吸收热应力，使材料在1000℃温差下的热震寿命提升50%以上。

　　2. 功能特性优化

　　- 导电性：铜浸渍石墨的电导率达10^4-10^5 S/m，接近纯铜水平；

　　- 导热性：金属网络显著提升热导，铝浸渍石墨的热导率可达200 W/(m·K)。

　　3. 局限性

　　- 密度增加：金属填充导致密度从1.7-2.2 g/cm³升至4-6 g/cm³，牺牲部分轻量化优势；

　　- 成本较高：高温熔渗能耗大，金属用量占比高(体积分数30%-60%)推升成本；

　　- 界面失效风险：热膨胀系数差异(如铜的膨胀系数是石墨的3倍)可能引发循环载荷下的分层开裂。

　　四、应用领域与典型案例

　　金属浸渍石墨的“按需设计”特性使其在多领域发挥不可替代作用：

　　1. 航空航天

　　- 刹车盘：铜/钛浸渍石墨耐高温(>1200℃)，密度低且摩擦系数稳定，已用于飞机制动系统；

　　- 热防护材料：金属相吸收再入大气层的辐射热，保护航天器内部结构。

　　2.新能源

　　- 燃料电池双极板：镍浸渍石墨兼具导电性与耐腐蚀性，替代传统石墨板降低成本；

　　- 锂硫电池正极：多孔石墨浸渍硫单质，缓解体积膨胀并提升导电性。

　　3. 高端制造

　　- 模具材料：铝浸渍石墨用于压铸模具，耐高温冲击且脱模性好；

　　- 轴承组件：银浸渍石墨在无油润滑条件下运行，寿命是青铜轴承的2-3倍。