近日，中國工程院院士、北京工業(yè)大學(xué)教授聶祚仁帶領(lǐng)宋曉艷教授研究團隊在中國工程院院刊《Engineering》發(fā)表了題為”Synergistic Enhancement of Mechanical Properties and Electrical Conductivity of Immiscible Bimetal: A Case Study on W–Cu”的研究文章，介紹了一種具有獨特的空間連通銅相和鎢島構(gòu)型的超細(xì)晶不互溶雙金屬復(fù)合材料的設(shè)計研制方法，該復(fù)合材料僅由兩種不互溶金屬構(gòu)成，在無其他任何添加元素的情況下，在力學(xué)性能和導(dǎo)電性方面表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。本研究為實現(xiàn)不互溶金屬復(fù)合材料的多目標(biāo)性能協(xié)同強化提供了創(chuàng)新途徑。研究生段起祥為*作者，侯超為共同通訊作者。

不互溶金屬復(fù)合材料由于組元本征性能差異巨大，常具有結(jié)構(gòu)–功能一體化的潛在開發(fā)優(yōu)勢。鎢–銅復(fù)合材料是不互溶金屬復(fù)合材料的典型代表，其中鎢具有高硬度、低熱膨脹系數(shù)、耐燒蝕特性，銅具有高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱特性，鎢–銅復(fù)合材料在電子封裝、熱管理、高壓電接觸材料以及焊接電極等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。如何顯著提升不互溶金屬復(fù)合材料的綜合性能，實現(xiàn)高性能結(jié)構(gòu)–功能一體化是目前開發(fā)先進不互溶金屬復(fù)合材料所面臨的重大挑戰(zhàn)。

面向上述問題，北京工業(yè)大學(xué)研究團隊開發(fā)出一種具有空間連通銅相和鎢島構(gòu)型的超細(xì)晶雙金屬復(fù)合材料，在力學(xué)性能和導(dǎo)電性方面表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。采用基于材料真實微觀組織結(jié)構(gòu)的有限元模擬方法，定量研究了具有不同微觀尺寸和結(jié)構(gòu)特征的雙金屬復(fù)合材料的應(yīng)力分布、應(yīng)變響應(yīng)和斷裂行為，揭示了這種特殊結(jié)構(gòu)雙金屬復(fù)合材料獲得優(yōu)異綜合性能的機理。

研究表明，鎢晶粒在鎢島內(nèi)的高度連通鄰接性對不互溶兩相的應(yīng)力分布具有顯著影響。在相同載荷下，鎢晶粒的局域高連通性有利于抑制應(yīng)力的長程擴展，避免銅相中應(yīng)力快速增加及應(yīng)力集中的發(fā)生，使鎢相可分擔(dān)更大的載荷，從而使雙金屬復(fù)合材料表現(xiàn)出更高的屈服強度。因此，所開發(fā)的雙金屬復(fù)合材料的高屈服強度源于組織結(jié)構(gòu)細(xì)化和鎢島構(gòu)型中晶粒的高鄰接性。另一方面，這種特殊構(gòu)型還有利于兩相金屬的協(xié)調(diào)塑性變形，避免鎢/銅相界處的過早失效，從而提升復(fù)合材料整體的塑性變形能力。此外，鎢島構(gòu)型所帶來的銅相平均自由程增加以及相界比例降低，使復(fù)合材料具有優(yōu)異的導(dǎo)電性。

該研究不添加任何其他元素，僅通過調(diào)控顯微結(jié)構(gòu)尺寸和組元空間分布，使不互溶雙金屬復(fù)合材料在力學(xué)性能和物理特性方面獲得了優(yōu)異的綜合性能，為實現(xiàn)不互溶金屬復(fù)合材料的多目標(biāo)性能協(xié)同提升提供了新的途徑。未來如何快速、準(zhǔn)確預(yù)測多層次結(jié)構(gòu)尺寸、空間構(gòu)型與多目標(biāo)性能之間的關(guān)聯(lián)，并開發(fā)可控制備技術(shù)，從而根據(jù)服役要求按需定制雙金屬復(fù)合材料值得更加深入的研究。