通过喷雾干燥辅助的超临界液相还原技术，提高了Cu-Al?O?复合材料的机械-电性能协同效应

《Journal of Alloys and Compounds》：Enhanced mechanical-electrical synergy in Cu-Al 2O 3 composites via spray drying-assisted supercritical liquid reduction

Al?O?纳米颗粒通过喷雾干燥-超临界流体还原-火花等离子体烧结制备，实现Cu基复合材料电导率86.8% IACS和强度407 MPa的协同提升，机理包括均匀分散、强化界面结合和晶粒细化。

　　铜基复合材料因其优异的导电性和导热性，在电子封装、电气接触、热管理系统以及航空航天部件等领域具有重要的应用价值。这些材料通常通过添加陶瓷颗粒作为增强相，从而提高其机械性能和高温稳定性。其中，氧化铝（Al?O?）因其成本低廉、易于获取，成为最广泛使用的增强材料之一。然而，如何实现纳米级氧化铝颗粒在铜基体中的均匀分散，仍是制约其性能提升的关键难题。传统方法如机械合金化和内部氧化虽然在一定程度上能够制备铜基复合材料，但往往存在工艺控制不精确、材料性能不理想等问题。例如，机械合金化虽然操作简便且具有良好的可扩展性，但其过程中形成的增强相颗粒往往粗大且分布不均，这会降低材料的整体性能。而内部氧化则依赖于在铜铝合金中铝的氧化反应，从而形成氧化铝颗粒，但由于氧扩散和反应动力学难以控制，导致氧化铝颗粒的尺寸和分布不均，同时，该过程需要长时间的高温处理，这不仅增加了生产成本，还可能引起基体铜的晶粒粗化，从而影响复合材料的性能。

为了解决上述问题，研究者们提出了多种新型的合成方法。其中，喷雾干燥作为一种有效的策略，已被广泛应用于金属基复合材料的制备中，以改善次级相的均匀分散性。喷雾干燥的基本原理是通过喷嘴或其他分散装置将含有金属盐的溶液或悬浮液雾化成细小的液滴，这些液滴在加热气体流中快速蒸发溶剂，从而形成固态颗粒。这种方法不仅能够实现原料的均匀混合，还能增强最终材料的相容性和界面结合力。例如，在硝酸纤维素基的颗粒复合材料中，通过喷雾干燥制备的铝/氧化铜纳米颗粒表现出更高的反应活性和更短的燃烧时间。此外，喷雾干燥也被用于均匀分散高负载的氧化石墨烯，从而获得具有优异机械性能且减少热积累的复合材料。在锂离子电池正极材料的制备中，喷雾干燥技术被用于生成多孔的LiFePO?/C微球，这些微球在高温处理后形成相互连通的孔隙结构，从而提高电池的电化学性能。

在喷雾干燥之后，通常需要进行还原处理，以将金属盐转化为金属颗粒。超临界液相还原相较于传统的氢气还原具有诸多优势。超临界流体结合了气体的扩散性和液体的密度，使得热量和质量的传递更加迅速和均匀，从而促进反应物之间的相互作用并加快反应动力学。此外，超临界还原过程通常不需要额外的添加剂，这有助于制备高纯度的材料。例如，通过超临界水热法合成的纳米氧化锌，利用超临界液体的特性实现了快速的反应速率和较窄的颗粒尺寸分布。同样，通过使用甲酸进行超临界液相还原合成的超细铜粉，其纯度较高，无需后续的添加剂处理。此外，超临界水气化甘油用于氧化石墨烯的还原，可以实现高效的脱氧和原位氢气生成，从而简化还原过程并减少杂质的产生。

基于上述工艺方法，本研究提出了一种集成的制备策略，将喷雾干燥、超临界液相还原和火花等离子烧结（SPS）相结合，以制备高均匀性的铜基复合材料。首先，通过喷雾干燥将含有硝酸铜和硝酸铝的溶液制备成混合的铜铝复合粉末，随后在高温下进行煅烧，使其转化为氧化铝和氧化铜的复合粉末。接着，通过超临界液相还原将这些氧化物颗粒还原为纳米结构的铜基复合粉末。最后，采用火花等离子烧结技术对粉末进行致密化处理，以获得具有优异性能的铜基复合材料。

该研究的重点在于探讨不同工艺条件对复合粉末结构形态和颗粒尺寸的影响，以及氧化铝含量对复合粉末分散性能的作用。此外，还深入分析了氧化铝对铜基复合材料性能的具体机制。研究结果表明，采用该集成工艺制备的铜基复合材料，在1.0%氧化铝含量的情况下，其电导率达到了86.8% IACS，而抗拉强度则达到了407 MPa。这在很大程度上克服了传统材料中机械强度与导电性之间的权衡问题。这种性能的提升源于三个关键因素：氧化铝纳米颗粒在基体中的均匀分布、与铜基体之间的强界面结合以及细化的晶粒结构，这些因素共同作用，有效提升了材料的综合性能。

具体而言，均匀分布的氧化铝纳米颗粒能够有效阻碍位错运动，从而提高材料的强度。而强界面结合则有助于减少界面缺陷，提升复合材料的整体性能。同时，细化的晶粒结构不仅能够提高材料的强度，还能增强其导电性，因为细小的晶粒能够减少晶界处的电阻，从而提升整体的导电性能。这些机制的协同作用，使得铜基复合材料在保持高导电性的同时，也具备良好的机械性能。

此外，研究还发现，氧化铝与铜基体之间的良好界面结合有助于减少对导电性的负面影响。这主要是因为，良好的界面结合能够降低界面电阻，从而提升复合材料的导电性能。而均匀分布的氧化铝纳米颗粒则能够有效改善材料的结构稳定性，减少颗粒聚集现象，从而提升材料的整体性能。

在实验过程中，研究人员通过控制喷雾干燥的参数，如喷雾速率、进气温度和出气温度，来优化复合粉末的结构和性能。同时，通过调整煅烧和还原的温度和时间，进一步改善材料的微观结构。最终，通过火花等离子烧结技术对粉末进行致密化处理，使其形成具有优异性能的块状材料。

本研究的成果不仅为高性能铜基复合材料的开发提供了新的思路，也为相关领域的材料科学提供了重要的理论支持。通过结合喷雾干燥、超临界液相还原和火花等离子烧结等先进技术，研究人员成功克服了传统工艺中难以解决的问题，实现了材料性能的显著提升。这种集成工艺的应用，有望推动铜基复合材料在电子、能源和航空航天等领域的广泛应用。

在实际应用中，这种高性能铜基复合材料可以用于制造高精度的电子元件，如导电触点和散热器，以满足现代电子设备对高导电性和高机械强度的需求。此外，该材料还可以用于制造高性能的电池电极，以提高电池的能量密度和循环稳定性。同时，其在航空航天领域的应用，可以用于制造轻质高强度的结构材料，以满足航空器对材料性能的高要求。

综上所述，本研究通过一种集成的制备策略，成功制备了具有优异性能的铜基复合材料。这种材料在保持高导电性的同时，也具备良好的机械性能，为相关领域的材料科学提供了重要的参考价值。未来的研究可以进一步优化工艺参数，以提高材料的性能和生产效率，同时探索其在更多领域的应用潜力。