高熵合金颗粒增强Cu-Ag复合材料的微观结构演变与性能优化研究

【编辑推荐】为解决铜基复合材料机械性能与导电性难以兼顾的难题，研究人员通过机械合金化-冷压烧结-轧制工艺，将NbTaMoW高熵合金(HEA)颗粒引入Cu-6%Ag体系。结果表明：3%HEA添加使轧制后复合材料硬度提升66.4%、强度提高41.7%，而电导率仅下降18%，为高性能导电材料设计提供新策略。

　　

在电子电力、航空航天等领域，铜基复合材料长期面临"强度-导电率倒置"的魔咒——强化相的加入往往以牺牲导电性为代价。传统增强体如Al₂O₃、TiC等虽能提升硬度，但会导致电导率骤降；而B₄C、SiC等则存在分散不均、热稳定性差等问题。高熵合金(High-entropy alloy, HEA)因其独特的"鸡尾酒效应"和晶格畸变效应，为破解这一困境带来曙光。特别是由Nb、Ta、Mo、W等难熔元素构成的NbTaMoW高熵合金(Refractory HEA, RHEA)，兼具高热稳定性和优异力学性能，却鲜少应用于铜基复合材料。

针对这一研究空白，中国某高校团队在《Materials Science and Engineering: A》发表研究，系统探究了NbTaMoW HEA颗粒对Cu-6%Ag复合材料的影响。研究采用机械合金化制备HEA粉末，通过冷压烧结结合轧制工艺制备系列复合材料，借助SEM、HRTEM等技术解析微观结构，并测试力学与电学性能。

关键实验方法

1. 机械合金化：以400r/min转速球磨Nb/Ta/Mo/W元素粉(25at.% each)30小时制备HEA粉末
2. 复合粉体制备：将Cu粉与6%Ag粉及0-5%HEA粉混合
3. 冷压烧结：在600MPa压力下成型后于900°C烧结2小时
4. 轧制变形：对烧结样品进行50%厚度减薄率的冷轧

研究结果
Microstructure of sintered Cu-Ag composites
随着HEA含量增加(0%→5%)，烧结样品中HEA颗粒分布更均匀，孔隙率降低。3%HEA添加时形成纳米Ag相与微/纳米HEA颗粒的双尺度强化结构，界面结合紧密。

Morphology and Interfacial Integration of Nano-Ag Phases and High-Entropy Alloy Particles in Rolled Deformed Composites
HRTEM显示轧制后纳米Ag相(<50nm)与HEA颗粒均与Cu基体形成半共格界面，位错在颗粒周围形成缠结，产生显著的Orowan强化效应。3%HEA样品中位错密度比未添加样品高3倍。

力学与电学性能
轧制态Cu-6%Ag-3%HEA展现最佳综合性能：

• 硬度达165HV，较基体提升66.4%
• 抗拉强度提高41.7%
• 电导率保持82%IACS，仅下降18%

结论与意义
该研究首次证实NbTaMoW HEA颗粒可同时实现Cu基复合材料的"强度-导电率协同优化"：

1. 多尺度强化机制：微米HEA颗粒阻碍晶界迁移，纳米Ag相与HEA颗粒共同钉扎位错
2. 界面工程优势：半共格界面降低电子散射，HEA的固溶效应弱于传统陶瓷增强体
3. 工艺创新：机械合金化结合轧制实现纳米结构可控构筑

这项工作为开发新一代高强高导铜基复合材料提供了理论依据和实践范式，在超导磁体、高速铁路接触网等领域具有重要应用前景。特别值得注意的是，该研究突破了传统增强体"加硬必减导"的局限，通过HEA的"熵调控"策略开辟了金属基复合材料设计新思路。