近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所內(nèi)耗與固體缺陷研究部在高強(qiáng)高熱導(dǎo)耐熱銅合金研究方面取得新進(jìn)展。相關(guān)結(jié)果以“Ultrahigh strength, thermal stability and high thermal conductivity in hierarchical nanostructured Cu-W alloy”為題發(fā)表在Acta Materialia (Acta Mater., 264, 119547(2024))上。

高性能銅合金在先進(jìn)核能、高速軌道交通、電子芯片、強(qiáng)電磁等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。銅合金用作核聚變堆高熱負(fù)荷部件的熱沉材料時(shí)，需要同時(shí)具備高強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、高溫穩(wěn)定及抗輻照等綜合性能。然而，銅合金的強(qiáng)度、導(dǎo)熱性能和高溫穩(wěn)定性三者之間往往相互制約。例如，通過細(xì)化晶粒制備的納米晶銅的強(qiáng)度得到大幅提高，但其熱穩(wěn)定性差。沉淀強(qiáng)化型銅合金如CuCrZr合金，作為國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）的主要候選熱沉材料，其在室溫及中低溫度下具有高強(qiáng)度和良好導(dǎo)熱性能，但在較高溫度下沉淀強(qiáng)化相發(fā)生粗化或溶解，導(dǎo)致高溫性能顯著退化。

為此，研究人員利用金屬鎢（W）的高熔點(diǎn)、高熱導(dǎo)率以及與Cu不互溶等特性，采用液相合成和低溫分段還原技術(shù)制備了納米W顆粒均勻分布的W@Cu核殼結(jié)構(gòu)復(fù)合粉體，再結(jié)合放電等離子體燒結(jié)獲得了高強(qiáng)、高熱導(dǎo)、高溫穩(wěn)定的納米結(jié)構(gòu)Cu-W合金。合金中的納米W顆粒（~7.6 nm）均勻分布在超細(xì)晶Cu基體內(nèi)，有效地提高了材料的強(qiáng)度和高溫穩(wěn)定性，同時(shí)晶體內(nèi)的納米孿晶界也能夠顯著提高材料強(qiáng)度。由于合金中的W顆粒非常細(xì)小、與Cu基體不互溶，添加少量W（1.8 at%）就可以達(dá)到非常好的彌散增強(qiáng)效果，同時(shí)減少對(duì)導(dǎo)熱/導(dǎo)電性能的影響，從而有效克服了銅合金強(qiáng)度-熱導(dǎo)率-熱穩(wěn)定性相互制約問題。納米結(jié)構(gòu)Cu-W合金的室溫抗拉強(qiáng)度達(dá)709 MPa、熱導(dǎo)率為370 Wm-1K-1，在800℃高溫下仍能夠保持晶粒組織穩(wěn)定，其室溫及高溫強(qiáng)度、熱導(dǎo)率和高溫穩(wěn)定性均顯著優(yōu)于ITER的CuCrZr合金。此外，納米結(jié)構(gòu)Cu-W合金還具有高導(dǎo)電性（室溫電導(dǎo)率85.1% IACS）和優(yōu)異的抗輻照性能。該工作為高強(qiáng)、高導(dǎo)熱/導(dǎo)電、耐熱銅合金的研發(fā)提供了一種新策略。

固體所博士研究生柯建剛為該論文的第一作者，劉瑞研究員和吳學(xué)邦研究員為共同通訊作者。該研究得到了國家磁約束核聚變能發(fā)展研究專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金和合肥研究院院長基金等項(xiàng)目的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2023.119547

圖1. 納米結(jié)構(gòu)Cu-W合金的TEM照片及W顆粒的尺寸分布。

圖2. 納米結(jié)構(gòu)Cu-W合金的力學(xué)性能、導(dǎo)熱性能以及與其它銅基材料的性能比較。