【组内成果】双功能起伏界面优化准双连续结构石墨烯/CuNb复合材料的综合性能

第一作者：郭斯源

通讯作者：师春生*，赵乃勤*

单位：天津大学

研究背景

为了解决铜合金力学性能与电导率不协同的问题，通常在不同尺度上构筑独特的空间限制结构，包括纳米级界面结构或微米级异质结构，来调控铜基复合材料的综合性能。微米级异质结构主要利用两微区之间的特性差异来实现性能的调节，但其面临着微区边界应力集中的问题，使两微区的特性不能得到充分发挥。与此同时，纳米级界面结构则有助于加强增强相与铜基体之间的相互限制，充分利用其优异特性，这也可调控微区边界的结合性。迄今为止，对复合材料的结构设计往往集中于单一尺度，各自弥补了复合材料在相应尺度下的缺陷，对石墨烯增强铜基复合材料的力学和导电性能进行了适当调控。由此通过多尺度结构设计有望综合单一尺度结构设计优势，明确各尺度结构之间的相互作用，进一步优化复合材料的性能，对发展高强高导铜基复合材料具有重要意义。

工作简介

本研究选取了与铜基体无固溶趋向的Nb颗粒作为晶间增强相来强化硬微区，同时利用石墨烯纳米片（GNPs）层间包覆Al₂O₃纳米颗粒（GNPs@Al₂O₃）来构筑纳米级起伏界面，基于粉末冶金工艺，设计制备出多尺度结构修饰的复合材料（G@A-Cu/CuNb，纳米级起伏界面结构+微米级准双连续结构）。纳米级起伏界面不仅明显优化了材料的微米级准双来连续结构，而且改善了添加相与基体之间的相互作用，从而通过有效的结构调节、位错积累显著地改善了复合材料的力学性能。同时，复合材料中具有准连续的低电阻通路，也进一步优化了电导率。这些结果为缓解铜基复合材料力学-功能特性冲突提供了新的思路。

图文解析

首先对复合增强相及其界面结构进行了分析。原位反应实现了具有纳米级表面起伏结构的复合增强相的制备，经成型后复合增强相与铜基体之间界面结合紧密，未观察到杂质存在，保持良好的物理界面结合。从横截面方向上，发现GNPs-铜基界面也呈现出纳米级起伏结构，从凸起位置可观察到包覆于GNPs片层之间的Al₂O₃纳米颗粒，其继承自复合增强相的形态特征，得到了纳米级起伏界面。

图1 复合增强相结构：（a, b）腐蚀后G@A-Cu，（c）腐蚀后G-Cu，（d）未腐蚀G@A-Cu，（e）未腐蚀G-Cu；（f）复合粉末的拉曼光谱；G@A-Cu/CuNb界面结构TEM图：（g-i）延轧制方向，（k-m）延横截面方向；（j）G@A-Cu/CuNb的STEM图以及EDS面扫图

复合增强相可强化软微区并加强两微区之间相互作用，促进微米级准双连续结构的演化，伴随着变形，硬微区中Nb颗粒分布逐渐更为均匀，其在GA-Cu/CuNb中表现出微米尺度局域聚集分布以及亚微米尺度均匀分布特征，同时与铜基体保持良好的界面结合，规避了Nb颗粒之间相互接触所引发的烧结缺陷，使其在铜基体中充分发挥增强效用。

图2 （a）轧制过程中复合材料中Nb颗粒分布演化示意图，（b）轧制前G@A-Cu/CuNb的SEM和EDS面扫图，（c）轧制后G@A-Cu/CuNb的SEM和EDS面扫图，（d-g）Cu-Nb相界面结构沿[001]Nb的TEM图，（h, i）G@A-Cu/CuNb的STEM图以及EDS面扫图

微米级准双连续结构的构筑以及纳米级起伏界面所提供的结构优化作用，其不仅使硬微区的强化机制得以充分发挥来提高强度，还构建了准连续的导电通路来改善复合材料的功能特性，具有优于传统复合材料及合金的综合性能。

图3 复合材料及其对比样的（a）工程应力-应变曲线，（b）维氏硬度和电导率，（c）G@A-Cu/CuNb与铜基复合材料及合金的强度-电导率对比

经多尺度结构设计后，复合材料中的硬微区结构得到优化，同时两微区之间具有强相互限制，在变形过程中微区边界能更有效地积累位错，促进材料的应变硬化以及均匀变形过程。同时，纳米级起伏界面所提供的强界面结合有助于增强相的承载，结合微米级结构的优化还能偏转裂纹，延缓材料失效。

图4 （a）复合材料及对比样的应变硬化-真应变曲线， G@A-Cu/CuNb中Cu-Nb界面的（b）TEM图和（c）STEM图，G@A-Cu/CuNb断裂中结构演化的（d）TEM图和（e）STEM图，（f-i）G@A-Cu/CuNb拉伸断口SEM图，（j-m） G@A-Cu/CuNb拉伸断面SEM图，(n) G@A-Cu/CuNb断裂过程示意图

本文通过多尺度结构设计在铜基复合材料中引入了纳米级起伏界面结构以及微米级准双连续结构，从多尺度调控复合材料的综合性能，为结构设计研究提供了新思路。

通讯作者简介：

师春生教授简介：天津大学博士，日本名古屋大学博士后，韩国庆熙大学访问学者，主要研究方向为金属基结构与储能复合材料。

赵乃勤教授简介：天津大学二级教授。获国家首批万人计划支持，国务院特殊津贴专家，国家级教学名师。主要从事碳纳米材料、金属纳米材料和复合材料的宏量合成及其在能源和催化领域的应用研究。已主持国家863高技术项目、科技部国际合作项目、国家自然基金重点项目、军委科技委重点基金、天津市新材料重大专项等三十余项。在Nature Materials、Nature Energy、Energy & Environmental Science、Progress in Materials Science、Nature Communications、Advanced Materials等学术期刊发表论文300余篇，获授权发明专利40余件。获天津市自然科学一等奖1项（排名第一），指导的博士生获全国优秀博士学位论文。

论文第一作者为本课题组博士生郭斯源，相关研究成果刊登在Journal of Materials Science & Technology, 2024, 195, 227-233.

文章题目：Difunctional undulating interface optimizes the structure-comprehensive properties of graphene/CuNb composite with analogy-bicontinuous structure

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.11.080