通过钨介导的结构稳定化实现铜基互穿相复合材料的热管理与耐磨性平衡

《Materials》：Balancing Thermal Management and Wear Resistance via Tungsten-Mediated Architectural Stabilization of Cu-Based Interpenetrating Phase Composites

　　

铜基互穿相复合材料（IPCs）是滑动接触应用中的候选材料，其中必须平衡热管理、耐磨性和电传输。在此，研究人员通过无压渗透制备了Cu–(CrW_x)C IPCs，使用标称W添加指数x=0,10,25,50，对应每100 g Cr₂O₃添加0,10,25,50 g W，而非最终W质量分数。微观结构表征表明，W添加改变了含W碳化物区域的尺度与连通性，同时保留了连续的富Cu网络。代表性的准静态压缩曲线展示了大的应变承载响应，但仅进行描述性解释，因为并非每种成分在相同测试矩阵下都有独立的重复试样。所有复合材料在室温下保持39.23–40.44%国际退火铜标准（IACS）的电导率。Cu–(CrW₁₀)C在500°C时达到208.27 W m^?1 K^?1的热导率和最低的比磨损率2.42 × 10^?6 mm³ N^?1 m^?1。磨损表面和截面观察表明，其低材料损失与局部开裂和粘附/剥离特征共存，而较高的标称W添加促进碳化物碎裂、界面分离和硬碎屑介导的磨粒磨损。热-摩擦性能指数（TTPI）和电-热-磨损平衡指数（ETWBI）作为内部筛选指标，表明Cu–(CrW₁₀)C在当前四种成分数据集中是最平衡的组成。这些结果表明，耐磨性由骨架支撑的摩擦改性层和连续Cu网络传输的稳定性决定，而非单独由硬度或标称W添加决定。

**论文解读：通过钨调控骨架稳定化实现铜基互穿相复合材料的热管理与耐磨性平衡**

**研究背景与问题**
滑动接触组件（如电接触、热管理单元、制动摩擦副）在服役过程中同时承受机械磨损、摩擦升温、热应力积累和电传输需求。传统材料难以同时满足低磨损、高热导和良好电导：硬质陶瓷和碳化物虽抗磨损但脆性大，易产生裂纹和硬碎屑；铜及铜合金导热导电优异但硬度低、耐磨性不足。颗粒增强铜基复合材料部分缓解了矛盾，但孤立增强相和断续金属路径限制了承载、传输和损伤控制的协同。互穿相复合材料（IPC）因双连续网络结构（连续陶瓷骨架承载、连续铜相传输）有望突破这一瓶颈。然而，骨架拓扑、局部化学异质性与性能间的耦合机制尚不明确，尤其缺乏对热-电-磨损多性能平衡的系统评估。本研究通过钨（W）调控Cr–C碳化物骨架的形态与构成，制备不同W添加量的Cu–(CrW_x)C IPC，旨在揭示骨架稳定化对耐磨性与传输性能平衡的调控规律，并建立内部筛选指标以识别最优成分。论文发表在《Materials》。

**关键技术与方法**
研究人员采用无压渗透法：将Cr₂O₃与W粉（标称添加量x=0,10,25,50 g W/100 g Cr₂O₃）球磨混合后，在CH₄/H₂/Ar气氛下1150°C碳热还原获得多孔(CrW_x)C预制体，再于1250°C干燥H₂中无压渗铜。微观结构表征采用X射线衍射（XRD，Cu Kα辐射）和扫描电子显微镜（SEM）配能谱仪（EDS）。热物理性能：激光闪射法（LFA）测热扩散率（25–500°C），结合阿基米德密度计算热导率；膨胀计（DIL）测热膨胀系数（CTE，30–500°C）。电导率：涡流电导率仪（120 kHz）于20°C测量，结果以%IACS表示。摩擦磨损：球盘式（Si₃N₄对磨球，12 N，200 r/min，滑动距离176.22 m），光学轮廓仪测磨损体积，计算比磨损率。基于摩擦功、热导率、热膨胀和磨损体积，定义热-摩擦性能指数（TTPI）和电-热-磨损平衡指数（ETWBI）。

**研究结果**
**3.1 预制体与复合材料的相组成**
XRD显示，所有预制体以Cr₃C₂型碳化物为主，W添加后39–41°区间出现重叠峰群，与成分不均匀的W取代Cr₃C₂型固溶体（(Cr,W)₃C₂）一致，但未识别独立WC相。渗铜后Cu峰出现，骨架相保留，无Cu–Cr或Cu–W金属间化合物。

**3.2 W介导的预制体形貌演变**
SEM/EDS显示，所有预制体呈开放互联骨架。低W添加时W分布细分散；中等添加时局部粗化；高添加时W区域连成网状。

**3.3 渗铜后的互穿结构**
渗铜后Cu填充孔隙形成连续网络，骨架与Cu互补分布。基于密度/孔隙率估算的Cu体积分数为55.68–56.84 vol%，差异小，表明性能差异主要源于骨架拓扑和界面，而非Cu总量。

**3.4 准静态压缩响应**
代表性压缩曲线（应变率0.001 s^?1）显示快速初始加载、损伤/重分布区间及后续高应变承载。最大工程应力：Cu–(CrW₀)C 1711 MPa，Cu–(CrW₁₀)C 1544 MPa，Cu–(CrW₂₅)C 1516 MPa，Cu–(CrW₅₀)C 1565 MPa；0.5应变时应力分别为1177、1201、1157、1295 MPa。因无重复试样，差异仅作描述性解释。

**3.5 热物理与电学性能**
室温电导率：40.44±0.86%（0 W）、40.12±0.42%（10 W）、39.23±0.56%（25 W）、39.74±0.42%IACS（50 W）。500°C热导率：Cu–(CrW₁₀)C最高（208.27 W m^?1 K^?1），其次为25 W（184.95）、50 W（183.55）、0 W（172.49）。30–500°C平均CTE：13.97、13.98、13.23、13.36×10^?6 K^?1。传输一致性因子ηTC接近100%，证实Cu网络主导热/电传输。

**3.6 摩擦系数与定量耐磨性**
全试验平均摩擦系数（COF）：0.368、0.369、0.513、0.331；250–1202 s后运行均值：0.410、0.428、0.583、0.396。比磨损率：Cu–(CrW₁₀)C最低（2.42×10^?6 mm³ N^?1 m^?1），远低于0 W（26.58）、25 W（13.03）、50 W（7.94×10^?6）。低摩擦与低磨损在此短时试验中不等价。

**3.7 磨损表面形貌**
磨损宽度：724.6 μm（0 W）、602.0 μm（10 W）、658.7 μm（25 W）、495.7 μm（50 W）；磨损体积：0.056207、0.005120、0.027554、0.016781 mm³。Cu–(CrW₁₀)C虽存在局部开裂和粘附/剥离特征，但整体磨损量最低。高W添加导致碳化物碎裂、界面分离及硬碎屑磨粒磨损。

**3.8 磨损表面EDS面扫**
所有磨损表面Cu、Cr、C、O分布不均，表明存在摩擦改性层、裸露碳化物、压实碎屑及局部氧化产物。点分析显示Cu–(CrW₅₀)C表面W富集区（12.3 at.% W，仅1.5 at.% Cu），支持局部W富集碳化物/碎屑暴露。

**3.9 磨损截面损伤**
Cu–(CrW₀)C：碳化物碎裂、界面分离、近表面材料损失。Cu–(CrW₁₀)C：含局部亚表面裂纹和塑性变形痕迹，但净去除量低。Cu–(CrW₂₅)C：碎裂、孔隙/微裂纹、损伤范围宽。Cu–(CrW₅₀)C：局部碎裂和界面分离，存在高原子序数对比碳化物区域。

**3.10 定量热-摩擦耦合分析**
Cu–(CrW₁₀)C具有最低的比磨损率、单位摩擦功磨损量、最高的500°C热导率和可接受的CTE，因此归一化TTPI最高，表明其实现了摩擦损伤、散热和热尺寸稳定性的最佳平衡。

**3.11 性能定位与电-热-磨损平衡**
硬度（HV0.1）：315.24（0 W）、325.69（10 W）、336.76（25 W）、347.17（50 W），硬度随W添加增加，但比磨损率非单调。Cu–(CrW₁₀)C以较低硬度获得最低磨损，归因于损伤层稳定性和碎屑控制。ETWBI值：0.52（0 W）、0.98（10 W）、0.63（25 W）、0.72（50 W），确认Cu–(CrW₁₀)C为最佳平衡成分。

**总结与结论**
本研究通过标称W添加指数0,10,25,50 g W/100 g Cr₂O₃制备了Cu–(CrW_x)C IPCs。W添加改变了含W碳化物区域的尺度、局部构成和连通性，而估算的Cu相体积分数保持在55.68–56.84 vol%，连续富Cu网络维持了39.23–40.44%IACS的电导率。重建的39–41° XRD峰组与成分不均匀的W取代Cr₃C₂型区域一致，但当前实验室数据无法进行唯一的相归属、W取代水平或定量相分数。Cu分数范围窄进一步表明成分依赖的性能主要由结构和界面变化决定，而非仅由总Cu含量决定。Cu–(CrW₁₀)C表现出λ₅₀₀=208.27 W m^?1 K^?1和最低的比磨损率2.42×10^?6 mm³ N^?1 m^?1。其磨损表面并非无裂纹；低材料损失反而反映了细小的含W特征、Cu相塑性/热容纳和有限的深层材料去除之间的有利平衡。较高的标称W添加提高了硬度，但也促进了碳化物碎裂、界面分离和硬碎屑介导的磨粒磨损。TTPI和ETWBI将10 W IPC识别为数据集中最平衡的组成，但这些指数是内部筛选工具而非通用性质。压缩曲线是代表性的，未建立试样间统计差异。同样，1202 s磨损试验代表一种载荷-速度-对磨体条件，未建立长期电-摩擦稳定性。在应用外推之前需要独立的压缩重复试验、更长持续时间的磨损试验和耦合电接触实验。