北工大復材頂刊：層狀鎢銅雙金屬復合材料的力學、電學和摩擦磨損機理探究

鎢銅復合材料是由不互溶的難熔金屬鎢和高傳導性的銅組成的一種雙金屬復合材料，具有良好的力學-物理綜合性能，在高壓電觸頭、電加工電極、電磁發射系統導軌和熱軋機導向板等領域有著廣泛應用。嚴苛的服役環境對其強度、耐磨性能和傳導性能等均提出了更高的要求。然而，大多提高材料力學性能的手段，如細晶強化、第二相強化、位錯強化等，由于缺陷的引入不可避免地會降低材料的傳導性能。這就導致鎢銅復合材料的強度-電導率、耐磨性能-電導率之間總是呈現一種倒置關系。大量研究表明，通過構型的設計調控可以緩和性能之間矛盾關系，實現綜合性能的顯著提升，而層狀結構便是其中的佼佼者，并得到了研究者的廣泛關注。然而，目前關于層狀鎢銅復合材料力學、電學和摩擦磨損行為的系統研究鮮有報道。相關研究的開展不僅有助于揭示層狀構型和微觀組織結構對鎢銅復合材料綜合性能的影響機理，更有助于推動高綜合性能的新型鎢銅復合材料的設計開發。

近日，北京工業大學宋曉艷教授團隊開展了層狀鎢銅復合材料組織-性能的相關研究，系統探討了銅含量（層厚比）對層狀鎢銅復合材料的力學、電學和摩擦磨損性能的影響規律及作用機理。相關成果以“Multilayered W–Cu composites with enhanced strength, electrical conductivity and wear resistance”為題發表在復合材料頂刊Composites Part B: Engineering上。論文第一作者為北京工業大學材料科學與工程學院碩士生孫耀川，通訊作者為宋曉艷教授，韓鐵龍副教授為共同第一作者和共同通訊作者。

全文鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111641

主要研究成果：

本研究采用快速熱壓燒結技術制備了不同銅含量的層狀鎢銅復合材料，其相較同成分的商用鎢銅復合材料表現出同時提高的壓縮屈服強度、電導率和耐磨性能。層狀鎢銅復合材料的壓縮屈服強度隨銅含量的變化符合混合定律，其高強度可歸因于層狀構型提高了鎢相的載荷配分能力，以及由于細晶強化和位錯強化導致的鎢相的高強度（~1596 MPa）。與商用粗晶鎢銅復合材料的剪切斷裂失效形式不同，層狀鎢銅復合材料的失效機制為扭折失效，原位觀察表明其塑性應變由扭折帶的形核控制，這與之前報道的納米層狀銅鈮復合材料中應變由扭折帶的擴展控制不同。由于界面波折的存在，層狀鎢銅復合材料的電導率較理論值有所降低，同時鎢層中的高密度位錯也導致了電導率的降低，盡管如此，由于層狀構型中的連續電子傳輸通道，其電導率仍然高于商用鎢銅復合材料。由于鎢銅兩相強度和塑性變形能力的巨大差異，層狀鎢銅復合材料磨損時會發生表層的鎢相向兩側擴展變形而銅相擠出的現象；隨著銅含量（銅層厚度）的降低，層狀鎢銅復合材料磨損表面鎢相的形貌變化為：魚鱗狀裂紋—較淺的犁溝—嚴重剝蝕，其表層具有潤滑作用的鎢銅氧化膜面積先增加后減小，因此層狀W-20Cu復合材料表現出最低的摩擦系數和磨損率。與商用鎢銅復合材料相比，層狀鎢銅復合材料耐磨性能提高的主要原因是其中鎢相的高硬度和高強韌性，粗大的層狀結構導致鎢相表面生成的潤滑組織較少，實際上并不利于鎢銅復合材料耐磨性能的提高。由此啟發將來研究中可通過降低層厚或增加鎢層表面潤滑性氧化膜的比例進一步提高層狀鎢銅復合材料的耐磨性能。

韓鐵龍，北京工業大學材料科學與工程學院副教授、博士生導師，2020年獲得天津大學材料學專業工學博士學位，2022年入選北京工業大學高層次人才計劃“優秀人才”，主要研究方向為基于構型設計的金屬基復合材料及綜合高性能化。作為項目負責人主持了國家自然科學基金青年項目、中國博士后科學基金面上項目，同時作為骨干參與了多項國家自然科學基金項目。在Nat. Commun.、Compos. Part B: Eng.、Engineering、Carbon、J. Mater. Sci. Technol.等期刊發表SCI論文16篇，授權/公開國家發明專利7項，兼任《Tungsten》、《功能材料》、《粉末冶金工業》、《粉末冶金技術》等期刊青年編委。

北京工業大學宋曉艷教授研究團隊多年來致力于具有穩定高性能的合金微結構設計與制備調控，形成了“合金納米組織結構穩定性基礎研究”與“工程應用”緊密結合的發展主線和學術特色。團隊主持國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點、德國研究聯合會基金(DFG)、北京市自然科學基金重點等項目以及多項企業委托攻關項目，成果獲得省部級科技進步獎一等獎 1 項、自然科學獎二等獎 3 項、技術發明獎二等獎1項；授權和公開國際、國內發明專利100余項，高性能硬質合金規?；苽浼夹g落地企業實現重大成果轉化；于Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Acta Mater.等期刊發表SCI論文360余篇，在國際國內學術會議上作大會/主旨/邀請報告80余次。