北工大復(fù)材頂刊：層狀鎢銅雙金屬復(fù)合材料的力學(xué)、電學(xué)和摩擦磨損機(jī)理探究

鎢銅復(fù)合材料是由不互溶的難熔金屬鎢和高傳導(dǎo)性的銅組成的一種雙金屬復(fù)合材料，具有良好的力學(xué)-物理綜合性能，在高壓電觸頭、電加工電極、電磁發(fā)射系統(tǒng)導(dǎo)軌和熱軋機(jī)導(dǎo)向板等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。嚴(yán)苛的服役環(huán)境對其強(qiáng)度、耐磨性能和傳導(dǎo)性能等均提出了更高的要求。然而，大多提高材料力學(xué)性能的手段，如細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、位錯強(qiáng)化等，由于缺陷的引入不可避免地會降低材料的傳導(dǎo)性能。這就導(dǎo)致鎢銅復(fù)合材料的強(qiáng)度-電導(dǎo)率、耐磨性能-電導(dǎo)率之間總是呈現(xiàn)一種倒置關(guān)系。大量研究表明，通過構(gòu)型的設(shè)計調(diào)控可以緩和性能之間矛盾關(guān)系，實現(xiàn)綜合性能的顯著提升，而層狀結(jié)構(gòu)便是其中的佼佼者，并得到了研究者的廣泛關(guān)注。然而，目前關(guān)于層狀鎢銅復(fù)合材料力學(xué)、電學(xué)和摩擦磨損行為的系統(tǒng)研究鮮有報道。相關(guān)研究的開展不僅有助于揭示層狀構(gòu)型和微觀組織結(jié)構(gòu)對鎢銅復(fù)合材料綜合性能的影響機(jī)理，更有助于推動高綜合性能的新型鎢銅復(fù)合材料的設(shè)計開發(fā)。

近日，北京工業(yè)大學(xué)宋曉艷教授團(tuán)隊開展了層狀鎢銅復(fù)合材料組織-性能的相關(guān)研究，系統(tǒng)探討了銅含量（層厚比）對層狀鎢銅復(fù)合材料的力學(xué)、電學(xué)和摩擦磨損性能的影響規(guī)律及作用機(jī)理。相關(guān)成果以“Multilayered W–Cu composites with enhanced strength, electrical conductivity and wear resistance”為題發(fā)表在復(fù)合材料頂刊Composites Part B: Engineering上。論文第一作者為北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院碩士生孫耀川，通訊作者為宋曉艷教授，韓鐵龍副教授為共同第一作者和共同通訊作者。

全文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111641

主要研究成果：

本研究采用快速熱壓燒結(jié)技術(shù)制備了不同銅含量的層狀鎢銅復(fù)合材料，其相較同成分的商用鎢銅復(fù)合材料表現(xiàn)出同時提高的壓縮屈服強(qiáng)度、電導(dǎo)率和耐磨性能。層狀鎢銅復(fù)合材料的壓縮屈服強(qiáng)度隨銅含量的變化符合混合定律，其高強(qiáng)度可歸因于層狀構(gòu)型提高了鎢相的載荷配分能力，以及由于細(xì)晶強(qiáng)化和位錯強(qiáng)化導(dǎo)致的鎢相的高強(qiáng)度（~1596 MPa）。與商用粗晶鎢銅復(fù)合材料的剪切斷裂失效形式不同，層狀鎢銅復(fù)合材料的失效機(jī)制為扭折失效，原位觀察表明其塑性應(yīng)變由扭折帶的形核控制，這與之前報道的納米層狀銅鈮復(fù)合材料中應(yīng)變由扭折帶的擴(kuò)展控制不同。由于界面波折的存在，層狀鎢銅復(fù)合材料的電導(dǎo)率較理論值有所降低，同時鎢層中的高密度位錯也導(dǎo)致了電導(dǎo)率的降低，盡管如此，由于層狀構(gòu)型中的連續(xù)電子傳輸通道，其電導(dǎo)率仍然高于商用鎢銅復(fù)合材料。由于鎢銅兩相強(qiáng)度和塑性變形能力的巨大差異，層狀鎢銅復(fù)合材料磨損時會發(fā)生表層的鎢相向兩側(cè)擴(kuò)展變形而銅相擠出的現(xiàn)象；隨著銅含量（銅層厚度）的降低，層狀鎢銅復(fù)合材料磨損表面鎢相的形貌變化為：魚鱗狀裂紋—較淺的犁溝—嚴(yán)重剝蝕，其表層具有潤滑作用的鎢銅氧化膜面積先增加后減小，因此層狀W-20Cu復(fù)合材料表現(xiàn)出最低的摩擦系數(shù)和磨損率。與商用鎢銅復(fù)合材料相比，層狀鎢銅復(fù)合材料耐磨性能提高的主要原因是其中鎢相的高硬度和高強(qiáng)韌性，粗大的層狀結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鎢相表面生成的潤滑組織較少，實際上并不利于鎢銅復(fù)合材料耐磨性能的提高。由此啟發(fā)將來研究中可通過降低層厚或增加鎢層表面潤滑性氧化膜的比例進(jìn)一步提高層狀鎢銅復(fù)合材料的耐磨性能。

韓鐵龍，北京工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，2020年獲得天津大學(xué)材料學(xué)專業(yè)工學(xué)博士學(xué)位，2022年入選北京工業(yè)大學(xué)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(fù)合材料及綜合高性能化。作為項目負(fù)責(zé)人主持了國家自然科學(xué)基金青年項目、中國博士后科學(xué)基金面上項目，同時作為骨干參與了多項國家自然科學(xué)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16篇，授權(quán)/公開國家發(fā)明專利7項，兼任《Tungsten》、《功能材料》、《粉末冶金工業(yè)》、《粉末冶金技術(shù)》等期刊青年編委。

北京工業(yè)大學(xué)宋曉艷教授研究團(tuán)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(xué)術(shù)特色。團(tuán)隊主持國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)、德國研究聯(lián)合會基金(DFG)、北京市自然科學(xué)基金重點(diǎn)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(jìn)步獎一等獎 1 項、自然科學(xué)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)模化制備技術(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360余篇，在國際國內(nèi)學(xué)術(shù)會議上作大會/主旨/邀請報告80余次。