研究内容简介: 在Cu-Cr/C复合材料中，极高的Cr-C反应活性会导致Cu基体中的Cr被快速消耗，使得用于后续析出的溶质Cr原子供应不足。这使在Cu-Cr/C复合材料中实现热导率与强度的协同提升成为一项重大挑战。近期，中南大学龚深教授团队通过在Cu-Cr/C复合材料内部构建Cu/ZrC/Cr3C2/C异质界面，同时实现了界面改性与Cr析出相的沉淀。由此成功制备出高强、高导的Cu-0.5Cr-2Zr (wt.%)/20 vol.%碳纤维复合材料。经过“固溶-时效”处理后，该复合材料的抗弯强度达到672 MPa，热导率达到529 W m-1 K-1，与未添加Zr的Cu-0.5Cr (wt.%)/20 vol.%碳纤维复合材料相比，分别提高了466 MPa和97 W m-1 K-1。在Cu/ZrC/Cr3C2/C异质界面中，ZrC过渡层完整包覆Cr3C2过渡层，从而抑制了Cr与C之间的完全反应。这种包覆结构使得Cu基体中的Cr溶质原子能够在时效过程中析出，显著提升了复合材料的强度。同时，Cu/ZrC/Cr3C2/C异质界面的形成显著降低了Cu/C界面的界面热阻。此外，Cu与C之间界面亲和力的增强促进了Cu基体内碳纤维网络的构建。这些因素共同赋予了复合材料优异的热导率。
相关工作以“Achieving synergistically elevated strength and thermal conductivity in Cu-Cr-Zr/carbon fiber composites by constructing Cu/ZrC/Cr3C2/C heterointerfaces”为题发表在复合材料领域著名期刊《Composites part A》上。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2026.109798
具体内容
图1 工艺流程图
图2 (a, b) 工艺A中样品在500°C下加热不同时间后的硬度和电导率变化；(c) 工艺A中PA态样品的热扩散系数和热导率；(d) 工艺A中所有PA态样品的弯曲应力-应变曲线；(e, f) 工艺A中3号样品在PA态下的弯曲断口SEM形貌。
图3 Method A PA状态不同样品的SEM形貌图：（a-i）BSE图像；（d-1-d-4，e-1-e-4，f-1-f-4）各元素的面分布图
图4（a-c）Method A PA状态各样品中萃取CFs的SEM图像；（a-1-a-3，b-1-b-3，c-1-c-3）元素的面分布图；（d）各样品中萃取CFs的XRD图谱；（e，f）Sample #3经过深腐蚀后的SEM图像；（f-1-f-5）各元素的面分布图；（g）Method A PA状态Sample #3的3D X射线micro-CT分布图像；（h-j）Method A PA状态Sample #3各截面的micro-CT分布图像及孔隙情况；（k）Method A PA状态Sample #3的孔径分布柱状图；（l）Method A PA状态各样品的相对密度
图5 Method A PA状态Sample #3的TEM图像：（a-c，h，j）：BF图像；（d，e，i，k）HRTEM图像；（f，g）HRTEM图像及相应的FFT图像；（l，m）FFT图像；（a-1-a-4，b-1-b-5，c-1-c-4，h-2，h-3）元素面分布图；（h-1）暗场（DF）图像
图6不同样品异质界面的形成机理图
图7(a) 工艺A中3号样品在PA态下的理论屈服强度与实验屈服强度对比柱状图；图7(b) 工艺A中3号样品在PA态下的理论热导率与实验热导率对比柱状图；(c) 本研究中3号样品与先前研究中Cu/CF复合材料的性能对比。
总结
（1）本文通过湍流冲击均质铸造成功制备了高强高导热Cu-0.5Cr-2Zr（wt.%）/20vol.%CFs复合材料（Sample #3）。经过固溶960℃/2 h+时效500℃/2 h，Sample #3的弯曲强度和导热率分别达到672 MPa和529 W m-1 K-1。
（2）Sample #3优异的力学性能主要归因于时效过程中纳米级Cr相的析出。而纳米Cr相析出的实现与Cu/ZrC/Cr3C2/C异质界面的形成密切相关。在湍流冲击均质铸造过程中，由于热力学因素、动力学因素以及界面匹配性的共同作用，ZrC过渡层生长在Cr3C2过渡层的外侧，即形成Cu/ZrC/Cr3C2/C异质界面。随着Zr含量的增加，大量的Zr原子与CF反应形成致密ZrC层，包覆住优先与CF表面反应的Cr3C2层，从而使Cu基体中保留了大量固溶的Cr原子。这部分Cr原子在后续的时效过程中得以析出，从而大幅提升了Sample #3的力学性能。强度模型的计算结果表明，纳米级Cr析出相所产生的强化效果，在Method A与PA状态Sample #3的强度提升中均起主导作用。
（3）Sample #3良好的导热性能同样归因于Cu/ZrC/Cr3C2/C异质界面的形成。Sample #3的异质界面过渡层主要由纳米级（75 nm）的Cr3C2层和亚微米级（390 nm）的ZrC层组成。Cr3C2和ZrC过渡层的形成显著降低了Cu/C界面的界面热阻，这对于Sample #3导热性能的提升起到至关重要的作用。同时Cu/ZrC/Cr3C2/C异质界面的形成改善了Cu/C界面的亲和性，使得Sample #3内部得以形成连通的CF网络，这同样有利于改善Sample #3的导热性能。导热模型的计算结果表明，对于Method A与Method B PA状态的Sample #3，低热阻的Cu/ZrC/Cr3C2/C异质界面和连通CF网络是Sample #3具有优异导热性能的主要原因。
