鎢銅復合材料是由不互溶的鎢和銅構(gòu)成的一種獨特的雙金屬復合材料，在高壓電觸頭、電加工電極、電子封裝、核聚變、電磁推進等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。隨著科技發(fā)展和新應(yīng)用領(lǐng)域的拓展，鎢銅部件的服役環(huán)境越來越嚴苛，對其綜合性能提出了更高的要求。而通過熔滲法等制備的傳統(tǒng)鎢銅復合材料，其粗大的組織結(jié)構(gòu)和較低的力學性能嚴重限制了其高端應(yīng)用。近年來，研究者主要利用細晶強化、第二相強化或合金化等方法提高鎢銅復合材料的強度。然而，溶質(zhì)原子、第二相以及晶界、相界等內(nèi)界面的引入，不僅導致鎢銅復合材料塑性嚴重惡化，還大大增強了電子散射，降低了鎢銅復合材料的傳導性能。因此，如何使鎢銅復合材料同時具有高的強度、塑性和電導率，是領(lǐng)域多年來共同關(guān)注和亟待解決的關(guān)鍵問題。

針對這一挑戰(zhàn)，北京工業(yè)大學韓鐵龍副教授和宋曉艷教授等提出了一種創(chuàng)新的鎢銅復合材料跨尺度多層級設(shè)計理念：在細觀尺度上利用獨特的自組裝超細層片構(gòu)型提高鎢相在復合材料中的應(yīng)力配分能力；在微觀尺度上利用先期預處理形成的高密度位錯和超細晶組織提高鎢相自身的強度，并利用銅相內(nèi)位錯增殖和可動位錯提供大的塑性變形能力；同時，借助跨尺度多層級設(shè)計產(chǎn)生的長程取向組織結(jié)構(gòu)，保證了鎢銅復合材料較高的電導和熱導特性。研究團隊巧妙地結(jié)合液相球磨和化學鍍覆等技術(shù)實現(xiàn)了設(shè)計的自組裝層狀鎢銅復合材料(SAL W-Cu)的成功制備。進一步，作者利用基于同步輻射的原位高能X射線衍射技術(shù)、掃描電鏡下原位壓縮技術(shù)和基于真實材料結(jié)構(gòu)的有限元模擬等，對SAL W-Cu的承載形變行為、強韌化機制和傳導機理進行了深入分析。該研究為獲得兼具高的力學性能和物理性能等優(yōu)異綜合性能的雙金屬類復合材料提供了嶄新的設(shè)計思路和實現(xiàn)技術(shù)。相關(guān)成果以“Simultaneous enhancement of strength and conductivity via self-assembled lamellar architecture”為題發(fā)表在國際頂刊Nature Communications上。論文通訊作者為北京工業(yè)大學宋曉艷教授，第一作者兼共同通訊作者為韓鐵龍副教授。該研究得到了聶祚仁院士的指導和其帶領(lǐng)的國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體的支持。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-024-46029-w

首先，作者構(gòu)建了有限元模型針對不同構(gòu)型特點的鎢銅復合材料的力學、電學和熱學響應(yīng)特性進行了定量化研究。發(fā)現(xiàn)鎢銅復合材料的強度不僅受鎢相自身的強度影響，還強烈地受鎢銅兩相構(gòu)型特征的影響。如果某一構(gòu)型中鎢相的載荷配分比例較低，則鎢相自身的高強度優(yōu)勢不能充分發(fā)揮，復合材料的強度水平有限。只有在實現(xiàn)鎢相自身高強度的同時保證鎢相在復合材料構(gòu)型中具有高的載荷配分能力，才能充分發(fā)揮鎢相高強度的優(yōu)勢，最終獲得鎢銅復合材料的整體高強度。同時，為了兼具高的導電導熱性能，還需要獨特的降低電子散射、利于電子快速輸運的結(jié)構(gòu)設(shè)計。為此，研究團隊提出創(chuàng)新的自組裝層片結(jié)構(gòu)多層級設(shè)計理念，形成SAL結(jié)構(gòu)（“self-assembled lamellar architecture”）的鎢銅復合材料，記為SAL W-Cu。作者通過預處理制備了產(chǎn)生有高密度位錯的超細晶高強度鎢片，隨后利用化學鍍方法對鎢片表面進行了均勻的銅層包覆，再利用自組裝效應(yīng)和短時快速燒結(jié)技術(shù)實現(xiàn)了致密SAL W-Cu的制備。研制的SAL W-30Cu復合材料表現(xiàn)出高達1.13 GPa的壓縮屈服強度（約為同等測試條件下常規(guī)粗晶鎢銅合金的兩倍）和56 %IACS的電導率（高于導電性最好的商用粗晶鎢銅合金），同時，SAL W-30Cu復合材料具有高達14%的塑性變形能力。

圖1具有不同構(gòu)型特征的鎢銅復合材料的力學和物性的有限元模擬：a，鎢顆粒增強的鎢銅(a1)、鎢骨架增強的鎢銅(a2)和本研究的SAL W-Cu (a3)的三維周期性有限元模型；b-e，各種構(gòu)型特征的復合材料中的應(yīng)力分布(b)、鎢相的應(yīng)力分布(c)、電流密度分布(d)和熱流密度分布(e)。

圖2 a，SAL W-Cu復合材料的制備策略示意圖；b-d，制備的SAL W-Cu復合材料的微觀組織形貌及對應(yīng)的元素分布。

圖3 a-c，預處理獲得的鎢片形貌；d-h，鍍銅鎢片的形貌及元素分布。

圖4 SAL W-Cu復合材料及鍍銅鎢片的內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)：a-b，復合材料中鎢相和銅相朝向VD方向的晶粒取向分布；c，界面結(jié)構(gòu)；d，鍍銅鎢片中的銅納米晶；e，復合材料內(nèi)部的微結(jié)構(gòu)；f，預制鎢片內(nèi)部的高密度位錯；g，復合材料中鎢相內(nèi)部的高密度位錯；h，SAL W-Cu復合材料內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5 SAL W-Cu復合材料的力學、電學性能及與其他鎢銅復合材料的性能比較。

研究團隊結(jié)合同步輻射技術(shù)對SAL W-Cu復合材料的變形機理和強韌化機制進行了深入研究。結(jié)果表明，鎢相的屈服導致了復合材料的宏觀屈服，而在SAL W-Cu發(fā)生宏觀屈服時，鎢相承受的載荷高達1700 MPa，是銅相承受載荷的3.8倍（450 MPa）。因此，鎢相的高強度及高的載荷配分能力得到了驗證。此外，同步輻射結(jié)果還表明，銅相屈服在復合材料宏觀屈服之前發(fā)生，其應(yīng)變會受到仍是彈性變形狀態(tài)的鎢相的強烈限制，進而誘發(fā)異質(zhì)形變強化（HDI）效應(yīng)。盡管這一效應(yīng)也存在于其他構(gòu)型的鎢銅復合材料中，但是SAL W-Cu復合材料中的明顯高的界面密度顯著增強了這種強化效應(yīng)。這一點由SAL W-Cu復合材料LUR曲線中出現(xiàn)更加明顯的滯后環(huán)得到了證實。

SAL W-Cu復合材料高塑性的來源，一方面歸因于自組裝多級層狀結(jié)構(gòu)誘發(fā)的可持續(xù)的位錯增殖能力，另一方面歸因于該獨特結(jié)構(gòu)誘發(fā)的微裂紋緩沖效應(yīng)。開展的原位壓縮測試研究表明，在塑性變形的后期SAL W-Cu中產(chǎn)生了大量的微小裂紋，這些微裂紋沿著鎢銅相界面擴展，與最大剪切應(yīng)力方向大約呈45度，并不發(fā)生快速擴展形成主裂紋而導致復合材料斷裂失效。恰恰相反，這些微裂紋的形成有效釋放了局部的應(yīng)力集中，促進了復合材料在整體范圍內(nèi)均勻的塑性變形，從而促進了復合材料整體塑性的提高。此外，這種獨特的層狀結(jié)構(gòu)和鎢相的高強度也增大了主裂紋產(chǎn)生所需的臨界應(yīng)力，進一步延緩了復合材料的斷裂。

最后，自組裝多級層狀結(jié)構(gòu)中連續(xù)的銅導電通路的存在，是SAL W-Cu復合材料具有高電導和高熱導的本質(zhì)原因。實測值較設(shè)計理論值還有一定的差距，其原因在于鎢相和銅相中的微觀缺陷（孔隙、內(nèi)界面、位錯等）、鎢層的彎曲角和界面阻抗對SAL W-Cu電導率的影響。為評估這些影響因素的作用大小，團隊開展了有限元模擬計算研究，結(jié)果表明，銅相中的缺陷是導致復合材料電導率降低的主要原因，其次是鎢相中的缺陷和鎢片的彎曲，而單純的界面阻抗引起的電導率降低效應(yīng)影響較小。由此提出，進一步調(diào)控銅相中的缺陷密度并減小鎢片層的彎曲角度，可促進SAL W-Cu復合材料的電導率向結(jié)構(gòu)設(shè)計對應(yīng)的理論值提升。

圖6 a，同步輻射研究原位壓縮過程的示意圖；b，原位壓縮過程中{200}Cu和{200}W的晶面間距隨應(yīng)力的變化；c，原位壓縮過程中鎢相和銅相不同晶面的晶格應(yīng)變隨應(yīng)力的變化；d，基于同步輻射結(jié)果計算的原位壓縮過程中鎢相和銅相實際承受的載荷；e，SAL W-Cu復合材料的加載卸載循環(huán)曲線。

圖7 a，SAL W-Cu復合材料在不同應(yīng)變下銅相和鎢相中的位錯密度觀察；b，SAL W-Cu在制備態(tài)和斷裂后的銅相和鎢相中的KAM分布；c1-c2，準原位壓縮過程中沿相界面的微裂紋；c3，SAL W-Cu斷裂后主裂紋切過多個鎢層片；d，SAL W-Cu沿PD方向壓縮在應(yīng)力下降發(fā)生后的微觀組織特征：鎢片層的屈曲和裂紋偏轉(zhuǎn)、鈍化、緩沖效應(yīng)。

圖8 SEM下的準原位壓縮過程中裂紋特征及演變。

圖9考慮鎢相和銅相中的缺陷（孔隙、內(nèi)界面、位錯等）、鎢層的彎曲角和界面阻抗對SAL W-Cu電導率影響的有限元模型及計算結(jié)果。

本研究得到了國家自然科學基金重點項目、國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目、國家自然科學基金面上項目和青年項目的資助。

韓鐵龍，北京工業(yè)大學材料科學與工程學院副教授、博士生導師，2020年獲得天津大學材料學專業(yè)工學博士學位，2022年入選北京工業(yè)大學高層次人才計劃“優(yōu)秀人才”，主要研究方向為基于構(gòu)型設(shè)計的金屬基復合材料及綜合高性能化。作為項目負責人主持了國家自然科學基金、中國博士后面上項目，同時作為骨干參與了多項國家自然科學基金項目。在Nat. Commun.、Compos. Part B: Eng.、Engineering、Carbon、J. Mater. Sci. Technol.等期刊發(fā)表SCI論文15篇，授權(quán)/公開國家發(fā)明專利7項，兼任《Tungsten》、《粉末冶金工業(yè)》等期刊青年編委。

北京工業(yè)大學宋曉艷教授研究團隊多年來致力于具有穩(wěn)定高性能的合金微結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備調(diào)控，形成了“合金納米組織結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性基礎(chǔ)研究”與“工程應(yīng)用”緊密結(jié)合的發(fā)展主線和學術(shù)特色。團隊主持國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金重點、德國研究聯(lián)合會基金(DFG)、北京市自然科學基金重點等項目以及多項企業(yè)委托攻關(guān)項目，成果獲得省部級科技進步獎一等獎 1 項、自然科學獎二等獎 3 項、技術(shù)發(fā)明獎二等獎1項；授權(quán)和公開國際、國內(nèi)發(fā)明專利100余項，高性能硬質(zhì)合金規(guī)?；苽浼夹g(shù)落地企業(yè)實現(xiàn)重大成果轉(zhuǎn)化；于Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Acta Mater.等期刊發(fā)表SCI論文350余篇，在國際國內(nèi)學術(shù)會議上作大會/主旨/邀請報告80余次