天津大学《Scripta》：调控微结构，大大提高铜基复合材料热稳定性

编辑推荐：采用间间歇脉冲电沉积和SPS技术制备了WC弥散增强铜复合材料。由于形成了Cu包覆WC结构，WC纳米颗粒均匀分散。分散的WC所产生的钉扎和杂质阻力机制阻碍了晶界的迁移。动力学分析表明，3.0 wt% WC增强Cu的晶粒生长活化能是纯Cu自扩散活化能的3倍多。该复合材料在300℃的屈服强度达到单质铜的9倍。该研究为热稳定铜复合材料的设计提供了一条先进的方法。

纳米颗粒分散强化Cu复合材料是最有前途的Cu基复合材料（CMCs）之一，具有高强度和导电性，并具有较好的热稳定性。分散强化Cu复合材料在高温下的热稳定性和力学性能引起了人们的广泛关注。

天津大学研究者采用间歇脉冲电沉积结合SPS制备了不同WC含量的Cu复合材料。通过精心设计Cu包层WC结构，避免了长期存在的WC纳米颗粒团聚问题。WC纳米颗粒均匀分布在复合材料的Cu晶粒内和晶界处。这种特征性的微观结构大大提高复合材料的热稳定性。此外还详细研究了所开发复合材料的高温性能增强的潜在机制。相关论文以题“Effect of WC nanoparticles on the thermal stability and mechanical performance of dispersion-reinforced Cu composites”发表在Scripta Materialia。

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.115030

图1 (a) 和(b)WC@Cu粉末的TEM图和EDS图。(c,e)和(d)烧结时3.0 wt% WC增强Cu复合材料的TEM图像和EDS图。(f) Cu基体与WC界面的HRTEM图像.

图2 (a)纯铜和不同WC含量复合材料的EBSD IPF (b) 1.1 wt.%， (c) 2.1 wt.%， (d) 3.0 wt.%， (e) 5.0 wt.%。

一些WC颗粒分散在铜晶界（GBs）处，一些嵌入在Cu晶粒内。嵌入Cu晶粒中的WC颗粒的HRTEM图像显示，在基质和第二相的界面处没有形成纳米孔或缺陷，并且Cu润湿层的存在提高了界面粘合强度。复合材料的AGS比纯铜小，并且随着WC含量的增加而降低。因此，EBSD结果证实，在烧结过程中，Cu的晶粒生长受到分散WC颗粒的阻碍。

图3 纯铜在900℃退火1h(a)， 2(b)，和3h(C)，Cu-3.0 wt.% WC复合材料在900,950，和980℃退火1h(d, g,j)， 2h(e,h,k)和3h(f,i,l)的EBSD IPF。(m) Cu-3.0 wt% WC复合材料在900、950和980℃下AGS的变化(d²-d⁰)。(n) GB迁移率随1000/T变化的Arrhenius图。

Cu-3.0 wt% WC计算出的活化能为376.4±3.7 kJ/mol，远高于Cu的晶界自扩散（120.0 kJ/mol）和晶格自扩散（203.6 kJ/mol）。分散的WC颗粒钉扎晶界并阻碍其迁移，从而增加晶粒生长的活化能。负载WC纳米颗粒的晶界迁移速度比Cu的“纯”晶界迁移速度慢。在制备样品和退火样品中观察到许多孪晶。孪晶层厚度(l)随着WC含量的增加而减小，在3.0 wt. % WC增强Cu复合材料中，l减小到纳米级。纳米孪晶的形成降低了界面总能，从而提高了稳定。因此，加载晶界运动的活化能大大增加。

图4  (a)室温和(b)高温拉伸试验得到的不同WC含量纯Cu和Cu复合材料的工程应力-应变曲线。(c)室温(d)高温下纯铜和3.0 wt% WC增强铜在的YS、抗拉强度和伸长率。 (e)本工作中制备的300◦C (3.0 wt% WC增强铜，对应1.7 vol%)与先前研究的值的比较。

室温下，滑移位错被纳米颗粒阻断，当外部负载增加时，滑移位错可以通过晶格迁移在WC纳米颗粒之间弯曲。位错线继续在粒子周围弯曲，位错可以继续移动，在绕过的粒子周围留下一个位错环。Orowan位错环的形成导致晶格畸变能量的增加，从而增加了位错运动的阻力。

由于晶粒生长活化能的增加，复合材料的平均晶粒尺寸即使在高温下也很小。由于分散的WC纳米颗粒的存在，复合材料在高温下的强度得到了提高。复合材料的高温强度还受GB稳定性的影响。纳米孪晶的存在降低了GB能量，稳定了GB结构，降低了晶粒粗化的热力学驱动力。此外，由分散的WC纳米颗粒在GBs下贡献的钉扎和杂质阻力机制提供了动力学稳定性。孪晶的存在也阻碍了滑移带的传播，孪晶边界的强化作用对位错运动起到了强大的阻碍作用。

综上所述，WC增强铜复合材料具有均匀分散WC纳米颗粒，具有较高的热稳定性。此外，3.0 wt% wc增强Cu复合材料的晶粒生长活化能为纯Cu中GB扩散活化能的3倍多。分散的WC纳米颗粒固定在晶界上，WC会随晶界的迁移一起移动，因此阻碍了GB的迁移。此外，纳米孪晶的存在降低了GB能量，从而提高了复合材料的热稳定性。所制备的复合材料是一种适合的散热材料，尤其适用于未来在磁约束聚变器件中的应用（文：晓太阳）