原位合成TiB2增强铜基复合材料实现强度-导电协同优化的机制研究

为解决铜基复合材料中强度与导电性难以协同提升的行业难题，研究人员通过原位合成TiB2颗粒的创新方法，开发出兼具高强高导特性的Cu/TiB2复合材料。采用直流电阻烧结技术实现半共格界面结合，使材料屈服强度提升470.6%的同时保持200 W/m·K以上的热导率。该研究为电磁轨道炮等先进装备提供了关键材料解决方案。

　　

在电气工程和高端装备领域，铜基复合材料长期面临"鱼与熊掌不可兼得"的困境——强化相的引入虽然能提升机械性能，却往往以牺牲铜固有的优异导电/导热性为代价。传统制备方法如机械混合和外部添加陶瓷颗粒，常导致界面结合不良、颗粒分布不均等问题，成为制约材料性能突破的瓶颈。特别是对于电磁轨道炮发射系统、焊接电极等特殊应用场景，如何在保持200 W/m·K以上热导率的同时实现强度倍增，一直是材料科学家们孜孜以求的目标。

针对这一挑战，国内某研究机构（根据保密要求未公开具体机构名称）的研究团队创新性地采用原位合成策略，通过精确调控Cu-Ti-B体系的反应动力学，成功制备出具有半共格界面的TiB₂/Cu复合材料。相关研究成果发表在材料领域权威期刊《Journal of Materials Research and Technology》上，为解决强度-导电协同优化这一行业难题提供了新思路。

研究团队主要运用了三大关键技术：直流电阻烧结实现快速致密化，同步完成TiB₂的原位合成与界面调控；多尺度表征技术（包括HRTEM和EBSD）解析界面结构与位错分布；基于真实微观结构的有限元建模揭示应力传递机制。通过系统优化烧结参数（1223 K/5 min）和24小时球混工艺，确保了亚微米级TiB₂颗粒的均匀分散。

【3.1 制备工艺选择】
通过对比不同参数组合（图1），发现1273 K烧结会导致铜基体局部熔化，而8小时混合会形成环形偏聚结构。最终确定24小时球磨+1223 K/5 min为最优工艺，XRD证实仅存在Cu和TiB₂两相（图2），完全避免了Cu-Ti金属间化合物的残留。

【3.2 复合材料微观结构】
SEM显示TiB₂呈六方棱柱形貌（图3a₂-c₂），平均粒径稳定在0.59 μm。EBSD分析揭示惊人的晶粒细化效果——5TiB₂/Cu平均晶粒尺寸仅1.04 μm，较纯铜（52.92 μm）降低98%（图4）。HRTEM观察到4.20%低晶格失配的半共格界面（图5），位错密度达到纯铜的32.6倍（7.65×10¹³ m^-2）。

【3.3 热导率与力学性能】
随着TiB₂含量从2.5wt%增至10wt%，室温热导率从322.1 W/m·K递减至214.8 W/m·K（表1），但仍显著高于传统复合材料。力学测试显示屈服强度呈线性增长（图6b），10TiB₂/Cu达到388 MPa，较纯铜提升470.6%，且所有样品在压缩中均未断裂。性能对比图（图6c）证实该材料在强度-导电协同性上超越文献报道的各类铜基复合材料。

【4.1 原位颗粒形成机制】
DTA分析（图7）揭示两步反应路径：871.8°C首先生成Cu-Ti中间相，1037.1°C再与B反应形成TiB₂。六方棱柱形貌源于(0001)晶面的热力学稳定性，这种规则形貌为形成低界面能结构奠定了基础。

【4.2 强化机制】
定量分析表明晶界强化（55 MPa）和热错配强化（117.8 MPa）贡献了96%的强度增益，载荷转移强化仅占3.2 MPa。这种多机制协同作用打破了传统复合材料中强度-导电性的此消彼长关系。

【4.3 应力传递与断裂行为】
有限元模拟（图8-11）显示：陶瓷颗粒承受两倍于基体的应力（944 MPa vs 473 MPa），但损伤始终起源于颗粒间基体区域。值得注意的是，即使在高含量（10wt%）样品中，也未观察到界面剥离，证实半共格界面的卓越结合性能。

这项研究通过原位合成技术实现了铜基复合材料设计的范式转变，其创新价值主要体现在三个方面：工艺上开发出可精确控制界面特性的直流电阻烧结法；理论上阐明半共格界面在协调强度-导电性矛盾中的核心作用；应用上为需要同时承受机械载荷和电流冲击的关键部件提供了材料解决方案。特别是有限元模拟揭示的"基体主导"失效机制，为后续材料优化提供了明确方向。该工作不仅建立了铜基复合材料性能调控的理论框架，其研究思路也可拓展至其他金属基复合材料体系。