高强度高导电性铜钽复合材料的制备与性能研究

为解决高强高导铜基复合材料在脉冲磁体等工业领域的应用瓶颈，西北有色金属研究院团队通过粉末冶金结合热机械加工（SPS+旋锻+拉拔）制备了Cu100-xTax（x=10-25 wt.%）复合材料。研究发现Ta含量提升至25 wt.%时抗拉强度达498 MPa，电导率保持68% IACS，为高性能导体开发提供了新思路。

　　

在电磁轨道炮和脉冲磁体等尖端工业领域，材料需要同时承受超过2.2 GPa的洛伦兹力和剧烈焦耳热，这对铜基复合材料提出了近乎苛刻的要求。传统Cu-Ni-Sn合金虽能实现1.5 GPa强度，但电导率骤降至35% IACS以下；而纯铜的强度又难以满足需求。这种"鱼与熊掌不可兼得"的困境，使得兼具高强高导特性的铜钽（Cu-Ta）复合材料成为研究热点。

西北有色金属研究院的研究团队在《Journal of Alloys and Compounds》发表的研究中，创新性地采用"粉末冶金+热机械加工"的混合工艺路线。通过火花等离子烧结（SPS）结合旋锻和冷拉拔技术，成功制备出直径Φ3.44 mm的Cu-Ta复合导线，系统研究了Ta含量对材料性能的影响规律。

研究团队运用了三大关键技术：行星式球磨实现Cu/Ta粉末均匀混合（48 μm Cu粉与3 μm Ta粉）；900℃/40 MPa条件下SPS快速烧结；通过η=1.42的低应变旋锻-拉拔工艺控制变形量。这种组合工艺有效避免了传统熔铸法的成分偏析问题。

【Microstructural evolution during deformation in Cu-Ta composite wires】
通过显微结构分析发现，塑性变形过程中Ta颗粒呈现梯度分布特征：中心区域Ta纳米颗粒平均尺寸细化至24.8 nm，纵向截面可见Cu基体明显的变形织构。这种独特的"纳米颗粒钉扎+织构强化"协同效应，使材料在10-25 wt.% Ta含量范围内呈现强度持续提升。

【Conclusions】
研究得出三大核心结论：

1. 力学性能方面，随Ta含量从10 wt.%增至25 wt.%，抗拉强度（UTS）从379 MPa提升至498 MPa，维氏硬度（HV）从123.7增至159.4，但塑性相应降低；
2. 导电性能保持优异，所有样品电导率均>68% IACS，其中Cu₉₀Ta₁₀达79.3% IACS；
3. 通过控制相对低应变加工（η=1.42），成功实现工业化导线制备，突破传统ADB工艺的复杂操作限制。

该研究的突破性在于：首次验证了中等Ta含量（25 wt.%）下仍能保持良好加工性，通过精确控制Ta纳米颗粒分散状态，使材料强度-电导率组合超越文献报道的Cu-5 wt.%Ta纳米晶材料（524.7 MPa/62.1% IACS）。研究为开发下一代脉冲磁体用导体提供了可量产的工艺方案，其揭示的"剪切模量差异（G_Ta=69.2 GPa>G_Cu=48.3 GPa）诱导强化"机制，对新型金属基复合材料设计具有普适指导意义。