研究内容简介: 由于Cu和C密度差大且界面不润湿，通过传统的熔铸方式很难在Cu基体中均匀分散碳填料。近期，中南大学龚深教授团队在非接触式搅拌装置的基础上，开发了一种湍流冲击均质铸造的新方法，结合数据驱动策略成功设计并制备了高导热Cu-0.5Cr-0.5Zr（wt.%）/碳纤维（CFs）复合材料。实验结果表明，当转速达到800 rpm，CFs含量为18 vol%时，复合材料的平面内和垂直平面方向的TC分别达到562 W m-1 K-1和547 W m-1 K-1。超重力作用驱动合金熔体产生高速湍流，冲击破碎CF团聚体的同时大幅提升了熔体传质效率，促使合金元素Cr、Zr与CFs的表面碳原子发生了充分的界面反应。熔体中原位生成的Cu/Cr3C2 (ZrC) /CF异质界面极大地改善了Cu/C界面的润湿性，确保了熔体凝固后CFs在铜基体中的均匀分散并形成互连网络。通过改进的Agari模型分析了Cu-Cr-Zr/CFs复合材料的导热机理，结果表明3D互连导热网络和低热阻Cu/Cr3C2 (ZrC) /CF异质界面是复合材料具有优异导热性能的主要原因。本研究为各向同性高导热Cu/C复合材料的制备提供了一种低成本方案。
相关工作以“In-situ construction of Cu/Cr3C2 (ZrC) /C heterogeneous interfaces in high thermal conductivity Cu/Carbon fibers composites via turbulence-shock homogeneous casting”为题发表在国际著名期刊《Carbon》上。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2025.120654
具体内容
图1 数据驱动元素筛选策略
图2（a）CFs的SEM形貌；（b）CFs的拉曼光谱图；（c）CFs的XRD图；（d）湍流冲击均质铸造的制备过程及机理示意图；（e，f）Pure Cu/18-CFs和Cu-Zr/18-CFs复合材料在转速为800 rpm的SEM形貌；（g-j）Cu-Cr-Zr/18-CFs复合材料在不同转速下的SEM形貌
图3（a，b，d，e）BSE图像；（c，f）SE图像及相应的元素面分布图； Cu-Cr-Zr/18-CFs复合材料CFs的（g）3D X射线micro-CT分布图像，（h-j）平面X射线micro-CT图像以及孔隙分布，（k）孔径尺寸统计图；（l）不同Cu/CFs复合材料的相对密度柱状图
图4 Cu-Cr/18-CFs复合材料中萃取CFs的（a）SEM图像，（b-d）相应的元素面分布图，（e）XRD图像； Cu-Cr-Zr/18-CFs复合材料中萃取CFs的（f）SEM图像，（g-i）相应的元素面分布图，（j）XRD图；（k，l）Cu-Cr-Zr/18-CFs复合材料经过深腐蚀处理后的SEM整体形貌及相应的元素面分布图；（m-p）Cu-Cr-Zr/18-CFs复合材料经过深腐蚀处理后CFs的SEM形貌
图5 不同状态CFs的XPS结果：（a-c）原料CFs；（d-f）Cu-Cr/18-CFs复合材料中萃取的CFs；Cu-Cr-Zr/18-CFs复合材料中萃取的CFs
图6 Cu-Cr-Zr/18-CFs复合材料的TEM图像：（a）BF图和相应的元素面分布图；（b，c）各元素的线分布图；（d-g，j，m）HRTEM图像和相应的FFT图；（h，i）HAADF图和相应的元素面分布图；（k，m）HRTEM图像
图7 （a，b）Cu/CFs复合材料在平面内和垂直平面方向的热扩散系数和TC；（c）25-200℃范围内不同Cu/CFs复合材料在平面内方向长度变化率随温度的变化；（d）25-200℃各Cu/CFs复合材料在平面内和垂直平面方向的CTE；（e-h）纯Cu、Cu-Cr/18-CFs复合材料和Cu-Cr-Zr/18-CFs复合材料在加热和冷却过程中的红外热成像图；（i）Cu/CFs复合材料的弯曲应力-应变曲线，（j）FS的柱状图；（k-m）Cu-Cr-Zr/18-CFs复合材料的弯曲断口SEM图像
图8 本研究中Cu-Cr-Zr/CFs复合材料与之前文献报道中的高导热Cu基复合材料的性能比较
图9（a）湍流冲击均质铸造制备Cu/CFs复合材料 3D CF网络形成机制示意图；（b）改进Agari导热模型的机理示意图；（b）并联模型、EMPT模型、改进的Agari模型TC计算结果以及实验结果的比较
5.总结
本研究在非接触式搅拌装置的基础上，开发了一种湍流冲击均质铸造的新方法，并结合数据驱动元素筛选策略成功制备了具有3D连通CF网络的Cu-Cr-Zr/CFs复合材料。通过在熔体中制造强烈的湍流使CFs分散均匀并与改性元素发生充分的原位界面反应，成功实现了CFs在低含量（12-30 vol%）下的自连接。得到的Cu-Cr-Zr/CFs复合材料具有优异的热学性能和力学性能。其中Cu-Cr-Zr/18-CFs复合材料在CFs含量仅为18 vol%的情况下，平面内和垂直平面方向的TC分别达到562 W m-1 K-1和547 W m-1 K-1，同时FS达到247 MPa。高速湍流对传质效率的提升使CFs与Cr和Zr原子在熔体内发生充分的原位界面反应。形成的Cu/Cr3C2 (ZrC) /CF异质界面过渡层极大改善了界面结合，有利于Cu-Cr-Zr/CFs复合材料综合性能的提升。Zr元素的添加提升了CFs在Cu熔体中的分散性，使得原位界面反应过程更加充分，因此使Cu-Cr-Zr/CFs复合材料相比于Cu-Cr/18-CFs复合材料具有更优异的性能。熔体在超重力作用下的均匀凝固促进了Cu-Cr-Zr/CFs复合材料连通CF网络的形成。高效互连CF导热网络使得热量优先在其内部传递，从而提升了Cu-Cr-Zr/CFs复合材料的导热性能。建立了改进的Agari模型对Cu-Cr-Zr/CFs复合材料的TC进行了分析。结果表明，相对于并联模型和EMPT模型，改进的Agari模型与实验结果能够更好的吻合。这主要是由于其考虑了由CF导热链形成的网络以及界面热阻对TC的影响，而并联模型和EMPT模型未考虑其对TC的影响。湍流冲击均质铸造的开发为低成本高性能Cu基复合材料的制备开辟了全新的途径。
