近期，中南大学龚深教授团队基于数据驱动设计双界面改性元素的策略，采用湍流冲击均质铸造成功制备了高导热低热膨胀系数Cu-Cr-Zr/碳纤维（CF）/Mo复合材料。该工作以“Construction of a low-thermal-resistance carbides heterogeneous interface in Cu/carbon fiber/Mo composites for thermal management application”为题在材料、工程等领域的国际著名学术期刊《Chem. Eng. J.》发表。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.169541
重点：
通过湍流冲击均质铸造工艺成功制备Cu/CF/Mo复合材料。
Cu基体与CFs之间形成的碳化物异质界面结构增强了Cu/C界面结合力。
AMM模型结果表明，碳化物异质界面极大降低了界面热阻。
Cu/30CF/10Mo（vol.%）复合材料展现出高导热性和低热膨胀特性。
简介：
随着电子元件的集成化与微型化，对具有各向同性优良热性能的热管理材料的需求日益增长。本文基于数据驱动筛选双界面改性元素Cr和Zr，并采用湍流冲击均质铸造成功制备出高导热（TC）、低热膨胀系数（CTE）的Cu/CF/Mo复合材料。通过构建约80-nm Cr3C2层和250-nm (CrZrMo)C层的异质界面增强Cu/C界面结合力，同时通过形成富集Cr和Zr元素的多元素扩散层提升Cu/Mo界面结合。界面改性为CFs在Cu基体中形成均匀的三维互穿网络及Mo颗粒分散提供了有利条件。Cu-Cr-Zr/30CF/10Mo复合材料具有优异性能：其平均TC达454.1 W·m-1·K-1，CTE为12.2 × 10-6 K-1。构建的碳化物界面层热阻模型及计算结果表明，Cu/(CrZrMo)C/Cr3C2/C异质界面通过声学匹配缓解界面声子散射，显著降低了界面热阻。EMA-AMM模型有效预测了复合材料导热性能，并阐述各参数对复合材料TC的影响程度。本研究设计的Cu/CF/Mo复合材料具有各向同性高TC特性，有望成为散热工程领域的新一代热管理材料。
图文导读：
图1、 双界面改性元素X的数据驱动筛选流程（a） XC的形成能（b） 筛选标准（c） 元素X在Cu和Mo中的固溶度（d）基体中固溶0.1 wt.% X时的导电率。
图2、 Cu-1Cr-1Zr/30CF/10Mo复合材料的制造工艺示意图。
图3、 复合材料的微观结构：(a) Cu-Cr-Zr/30CF，(b) Cu-Cr-Zr/30CF/5Mo， (c) Cu-Cr-Zr/30CF/10Mo， (d-f) (a-c)的局部放大细节图；复合材料界面SEM图像及元素分布曲线：(g) Cu-Cr-Zr/30CF，(h) Cu-Cr-Zr/30CF/5Mo，(i) Cu-Cr-Zr/30CF/10Mo。
图4. 蚀刻后复合材料的微观结构（a-g）及Cu-Cr-Zr/30CF/5Mo的CT图像（h-l）：(a) Cu-Cr-Zr/30CF，(c) Cu-Cr-Zr/30CF/5Mo， (e) Cu-Cr-Zr/30CF/10Mo，(b, d, f) 互连的CF结构，(g) Mo颗粒形貌，(g-1, g-2, g-3, g-4) EDS mappings，(h) CT-3D重构结果， (l) CT-3D表面微观结构，(i-k) (l)中X-Y、X-Z和Y-Z面的微观组织。
图5、 （a）CF原料的形貌，XRD图谱：（b） CF原料，（c） Cu-Cr-Zr/30CF/xMo复合材料，（d） 萃取的CF。Raman光谱：（e） CF原料及（f） 萃取的CF。CF原料的XPS光谱：(g)全谱，(h) C1s。从Cu-Cr-Zr/30CF/10Mo复合材料中萃取CF的XPS光谱：(i)全谱，(j) C1s，(k) Cr2p，(l) Mo3d。
图6、 从复合材料中萃取CF的整体SEM图像：(a) Cu-Cr-Zr/30CF，(c) Cu-Cr-Zr/30CF/5Mo，(e) Cu-Cr-Zr/30CF/10Mo。萃取的单根CF形貌： (b) Cu-Cr-Zr/30CF，(d) Cu-Cr-Zr/30CF/5Mo，(f) Cu-Cr-Zr/30CF/10Mo。
图7、 Cu-Cr-Zr/30CF/10Mo复合材料中Cu/CF界面TEM表征。(a) Cu/CF界面TEM图像，(a-1) 线扫描元素分布曲线，(a-2, a-3, a-4, a-5, a-6) 元素分布mappings， (b) “碳化物层1″界面区域TEM图像，(c) “碳化物层1″HRTEM图像，(d) “碳化物层2″界面区域TEM图像，(e) “碳化物层2″界面处HRTEM图像，(f) (e)图中虚线圆圈处的FFT图像。
图8、 Cr3C2层区域的TEM分析。(a) Cr3C2层及其邻近界面的明场图像，(b) Cr3C2/CF界面区域的HRTEM，(c) CF的FFT图像，(d) Cu/ Cr3C2界面区域的HRTEM，(e) Cr3C2的FFT图像， (f) CF中石墨(002)面的IFFT分析，(g) Cu的FFT图像，(h) Cu (-11-1)面的IFFT分析，(i) Cr3C2 (212)面的IFFT分析。
图9、 TEM表征。(a) Cu-Cr-Zr/30CF/10Mo复合材料整体，(b) Cu/Mo界面，(b-1, b-2, b-3, b-4) 元素分布mappings，(c) Cu和(d) Mo的HRTEM晶格像。(e) Mo[001]带轴的FFT分析。
图10、 界面结构与界面热阻建模（a） Cu-Cr-Zr/30CF，（b） Cu-Cr-Zr/30CF/5Mo，（c） Cu-Cr-Zr/30CF/10Mo。
图11、 复合材料性能。(a) 面内与通面的TC，(b) TC模型与实验值对比，(c) 不同复合材料的界面热阻和界面热导，(d, e) 面内与通面上尺寸随温度变化，(f) 面内与通面的CTE， (g) CTE模型与实验数据对比，(h) 各种复合材料的TC和CTE性能对比，(i) 弯曲应力-应变曲线与弯曲强度。
结论：
本研究基于数据驱动方法，筛选出改善Cu/CF和Cu/Mo界面润湿性的改性元素Cr和Zr，并通过湍流冲击均质铸造技术成功制备Cu/CF/Mo复合材料。其中Cu-Cr-Zr/30CF/10Mo复合材料展现出卓越的综合性能。其面内与通面的TC值分别达462.5 ± 12.8 W m-1 K-1和445.6 ± 9.3 W m-1 K-1，较纯Cu提升15.7 % 和11.4 %，而面内与通面的CTE值分别为12.0 ± 0.3 × 10-6 K-1和12.5 ± 0.3 × 10-6 K-1， 分别比纯Cu降低31.4 %和28.6 %。
Cu-Cr-Zr/30CF/10Mo复合材料展现出各向同性的高TC与低CTE，其主要原因在于：Cu/(CrZrMo)C/Cr3C2/CF异质界面增强了Cu/CF界面结合力，从而降低了界面热阻。此外，富Cr、Zr元素的扩散层改善了Cu/Mo界面结合，这有利于Mo颗粒在三维空间均匀分散，从而有效限制热膨胀。同时，集成化的三维互穿CF网络提供了多路径高效热传导通道。
对界面进行深度研究发现Cu与CF之间的界面由致密连续的80-nm Cr3C2层和250-nm (CrZrMo)C层构成，未见明显微孔与裂纹。Mo含量的提升促使活性Mo原子充分的供应，从而加速了碳化物形核长大。计算结果表明，对于双层碳化物过渡层，适度减薄较厚的(CrZrMo)C层可优化复合材料TC。同时，Cu/Mo界面界限清晰且结合紧密，这是界面处富集的Cr、Zr元素形成扩散区的结果。
根据界面微观结构建立了界面热阻模型。计算结果表明，具有低热阻的Cu/(CrZrMo)C/Cr3C2/CF异质界面与原始Cu/CF界面相比热阻降低了51.4%。一方面，Cu/(CrZrMo)C/Cr3C2/CF异质界面有助于在Cu与CF之间建立有利的键合，避免低TC空气存在；另一方面，金属碳化物适中的声子速度缓解了界面声学失配与声子散射，从而降低了界面热阻。基于对界面热阻等多因素的综合评估，EMA-AMM模型可精确预测复合材料TC。此外，通过ROM和Turner模型计算复合材料CTE，结果表明CTE受Mo体积分数的调控。
