《Materials Today Communications》：Simultaneous enhancement of mechanical, thermal, and electrical properties in high-W-content W-Cu alloys
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本研究采用高烧结性钨纳米粉末，通过压力less液相烧结制备出高密度W-10Cu合金，其具有高强度（1.4 GPa）、良好塑性（37.8%断裂应变）和高导热导电性（200.7 W·m?1·K?1，36.5% IACS），显著提升综合性能，适用于高功率电子器件和超高压开关。
张建刚|戴静静|乔俊|杨嘉欣
中国西安交通大学材料力学行为国家重点实验室，西安710049
摘要
具有优异综合性能的钨铜（W-Cu）合金亟需满足日益增长的工程需求。然而，在高钨含量合金中同时提升机械性能和物理性能仍然具有挑战性。在本研究中，我们利用高烧结性的钨纳米粉末，通过无压液相烧结法制备出了具有细晶结构的高密度W-10Cu合金。该合金实现了接近完全致密化，并具有连续铜网络的均匀微观结构。因此，所开发的W-10Cu合金在机械性能、热性能和电性能方面均得到了同步提升，表现出优异的性能组合：高屈服强度（接近1.4 GPa）、良好的塑性（断裂应变37.8%）以及创纪录的热导率和电导率（200.7 W·m?1·K?1、36.5% IACS）。这些显著的集成性能主要归因于高致密化、均匀微观结构、晶粒细化强化、异质变形诱导强化以及连续的铜导电网络。这种W-10Cu合金在高性能电子设备的热管理及超高电压电气开关组件应用中具有巨大潜力。
引言
钨铜（W-Cu）合金结合了钨的高强度、耐高温特性和抗电弧烧蚀能力，以及铜的优异热导率和电导率[1]。这些优异的综合性能使得W-Cu合金在各种关键工程领域中不可或缺[2]。特别是，日益严苛的使用条件对W-Cu合金的整体性能提出了更高要求[3]。例如，高功率电子封装需要具有良好机械性能和导热性的合金[4]，而超高电压电气开关则需要高强度和优异电导率的合金[5]。开发同时具备高机械性能、热性能和电性能的W-Cu合金对于满足不断增长的需求并拓宽其应用范围具有重要意义[6]。W-Cu合金传统上是通过熔渗工艺制造的，该工艺将熔融铜渗透到预烧结的多孔钨骨架中[7]。虽然这种工艺通常能使W-Cu合金接近完全致密化，但对于高钨含量合金（W ≥ 85 wt%），高温烧结过程会导致部分初始连通的孔道闭合，这些闭合的孔道无法被熔融铜渗透，从而导致致密化程度低和铜的连通性差[8]。因此，制备出的W-Cu合金机械性能有限，热导率和电导率也不理想。最近的研究表明，由于纳米颗粒优异的烧结性能[9]，[10]，[11]，烧结纳米复合材料是制备高密度合金的有效方法。已经开发了多种技术来合成W-Cu纳米复合材料，包括高能球磨（转速超过500 rpm）[12]、共沉淀[13]和溶胶-凝胶[14]等。然而，高能球磨过程不可避免地会引入杂质，从而降低合金的热导率和电导率[15]。同样，共沉淀和溶胶-凝胶过程中的相分离现象通常会导致合金内部结构不均匀[16]，这不利于应力传递和电子传输，最终影响机械性能、热性能和电性能[9]。另一方面，火花等离子烧结（SPS）技术被广泛用于制备纳米或超细晶结构，以实现显著的晶粒细化强化[17]，[18]。需要注意的是，纳米晶材料由于位错容纳能力不足，通常塑性较差[19]。此外，固相烧结通常只能实现中等程度的致密化和铜的连通性，这阻碍了连续铜导电网络的形成，从而限制了热导率和电导率的有效提升[20]。以往的研究主要集中在高铜含量的W-Cu合金上[21]。对于高钨含量合金而言，同时提升机械性能、热性能和电性能仍然是一个重大挑战[4]。这一挑战与高致密化、均匀微观结构和连续铜导电网络密切相关，而这些目前在高钨含量的W-Cu合金中尚未实现。
本研究的目的是开发同时具备高机械性能、热性能和电性能的高钨含量W-Cu合金。为此，我们使用了具有优异烧结性的钨纳米粉末来实现完全致密化。通过无压液相烧结法制备出了具有细晶结构的高密度W-10Cu合金（所有成分均以重量百分比表示）。研究了该合金的微观结构、机械性能、热性能和电性能，发现细晶W-10Cu合金表现出高强度、良好塑性和优异的热导率及电导率。这些显著的集成性能主要归因于高致密化、均匀微观结构、晶粒细化强化、异质变形诱导强化以及连续的铜导电网络。
材料制备
西安稀有金属材料有限公司提供了商业化的钨纳米粉末（平均粒径< 50 nm，纯度> 99.9%），具有良好的分散性。江苏博谦新材料有限公司提供了超细准球形铜粉末（平均粒径约500 nm，纯度> 99.5%）。W和铜粉末的形貌如图1所示，其相应的平均粒径分别为32 nm和510 nm。
高致密度的细晶W-10Cu合金...
细晶W-10Cu合金的制备与微观结构表征
图2展示了通过粉末冶金技术制备细晶W-10Cu合金的过程，包括粉末混合、压实和无压液相烧结（如图2a所示）。众所周知，烧结合金的致密化程度受原始粉末特性的显著影响[16]。在本研究中，使用了高烧结性的钨纳米粉末（约32 nm）和超细铜粉末（约510 nm）来增强致密化过程。
结论
总之，为了在高钨含量的W-Cu合金中同时提升机械性能、热性能和电性能，我们采用了具有优异烧结性的钨纳米粉末，通过无压液相烧结法制备出了高密度W-10Cu合金。该合金实现了接近完全致密化，并具有均匀的微观结构和连续的铜网络。值得注意的是，细晶W-10Cu合金表现出优异的机械性能，具有高屈服强度...
作者贡献声明
张建刚：方法学设计、实验研究、初稿撰写、审稿与编辑、概念构建、数据管理、资金申请。戴静静：方法学设计、数据验证、实验研究、数据分析、资金申请。乔俊：审稿与编辑、数据可视化、方法学设计、实验研究、资金申请。杨嘉欣：数据管理、数据验证、实验研究、资金申请。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了陕西省重点研发计划（2025CY-YBXM-593、2025CY-YBXM-594、2025CY-YBXM-436）、陕西省创新能力支持计划（2024ZG-GCZX-01(1)-02）、陕西省创新源泉项目（QCYRCXM-2023–176、QCYRCXM-2023–150）以及陕西省自然科学基础计划（2025JC-YBQN-734）的支持。
