铸造法制备核壳结构(TaTiCr)B2颗粒增强铜基复合材料的微观结构与性能研究

本文通过创新设计核壳结构(TaTiCr)B2陶瓷颗粒，成功解决了铜基复合材料铸造过程中增强体的宏观偏析（macro-segregation）和微观团聚（micro-agglomeration）难题。研究首次阐明了高熵二硼化物颗粒的吸附能（adsorption energy）与界面能（interfacial energy）协同调控机制，为制备高强度高导电性（high-strength and high-conductivity）铜基复合材料提供了新范式。

　　

Highlight

通过战略性地组合高密度TaB₂（12.54 g/cm³）与低密度TiB₂（4.52 g/cm³）和CrB₂（5.20 g/cm³），我们设计了密度与铜匹配的(TaTiCr)B₂/Cu、(TaTi)B₂/Cu和(TaCr)B₂/Cu复合材料，实现了陶瓷颗粒的宏观均匀分布。然而，这三种复合材料展现出截然不同的微观结构特征（图1）。(TaTiCr)B₂/Cu复合材料中的颗粒呈现均匀分布和细小尺寸（约200纳米），而(TaTi)B₂/Cu复合材料中则存在严重的颗粒团聚现象。(TaCr)B₂/Cu复合材料虽表现出改善的分散性，但颗粒尺寸显著增大（约800纳米）。

Discussions

实验研究表明，核壳结构(TaTiCr)B₂颗粒对提升复合材料性能起到关键作用。(TaTi)B₂体系被确认为(TaTiCr)B₂/Cu复合材料中细小颗粒的主要成因，而核壳结构中的富铬（Cr-rich）外壳则是(TaCr)B₂/Cu复合材料实现更佳分散性的核心因素。因此，为揭示(TaTiCr)B₂颗粒的形成与分散机制，我们通过第一性原理计算（First-principles calculations）系统研究了Ta、Ti、Cr元素在二硼化物颗粒生长过程中的吸附能与界面能演变规律。

Conclusion

本研究通过铸造法成功在铜基复合材料中原位合成了新型核壳结构(TaTiCr)B₂颗粒。可调控的密度匹配实现了(TaTiCr)B₂/Cu复合材料的宏观均匀性。吸附能与界面能的协同调控主导了微观结构演化，形成独特的核壳结构——该结构由富钽（Ta-rich）核心、富钛（Ti-rich）过渡层和富铬（Cr-rich）外壳构成。这种结构协同结合了(TaTi)B₂的细化优势与(TaCr)B₂的分散特性，最终使复合材料同时获得增强的力学性能与导电性能。