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Featured Article: 超细/纳米结构钨铜基复合材料的研究进展与挑战

发布时间:2020-9-30 8:59:04



钨铜基复合材料是由互不相溶的钨和铜两组元为基体构成的双金属基复合材料。因其兼具钨的耐高温、高硬耐磨、低热膨胀系数和铜的优异导电导热等特性而表现出优良的力学性能和电、热传输以及耐电弧烧蚀等独特性能,在高压电器开关的电触头、电加工的电极材料、电子封装以及航天、军工等高温部件多个领域具有无法替代的重要应用。然而,由于钨和铜熔点差异很大且彼此润湿性差,在液相烧结或熔渗条件下制备的钨铜基复合材料往往存在致密度和晶粒组织尺度的反向矛盾,且成分均匀性较差,无法满足高端工业需求,由此制约了这种材料在高新技术领域的应用前景。因此,研究者们在钨铜纳米复合粉末制备、致密化技术开发、组织结构细化、力学性能和物理特性协同改善等方面开展了一系列研究,探索钨铜基复合材料成分设计、组织优化、综合性能提升的新途径和新机理,有力促进了钨铜基复合材料的研究进展和高端应用进程。  

                                             

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近日,北京工业大学宋晓艳教授团队结合相关研究工作进展,在Nature出版集团旗下学术期刊《NPG Asia Materials》上发表了题为“W-Cu composites with submicron- and nanostructures: Progress and challenges”的综述文章(https://doi.org/10.1038/s41427-019-0179-x),该文章作为Featured Article在期刊主页重点介绍(https://www.nature.com/am/。这篇综述聚焦于钨铜基复合材料组织结构细化的有效途径、高致密化制备技术、力学性能和物理特性的影响要素及其作用机理等方面的最新研究进展。文章首先从纳米结构钨骨架、纳米复合粉末、致密化工艺调控、大塑性变形加工等方面对超细/纳米结构的钨铜基复合材料的创新制备技术进行了系统的总结梳理。通过对不同途径制备的钨铜基复合材料的微观组织结构、力学性能和物理特性、室温和高温性能的比较分析,对目前细化组织结构的系列技术就其优势和不足进行了综合评述,强调了利用微结构设计与调控从而优化钨和铜连通性的重要作用。进而文章归纳总结了添加组元(如合金元素和强化相)对钨铜基复合材料组织结构和综合性能的影响规律及微观机理,按照添加组元对铜相、钨相内界面以及钨/铜界面的不同作用特点,对添加组元的筛选、引入方式和分布状态等对钨铜基复合材料综合性能的影响进行了深入分析,提出了添加组元和组织结构在保持高导热导电物理特性的基础上有效提升力学性能的设计原则。最后,基于对目前研究现状的认识,文章对钨铜基复合材料的成分设计、制备方法、组织结构控制等重点研究方向待解决的关键问题,以及高温服役性能评估、添加组元和强化相在原子尺度的协同机理以及复合材料多尺度力学行为的计算模拟等方面的发展趋势进行了分析和展望。

论文第一作者为北京工业大学材料科学与工程学院的侯超博士。侯超博士2015年毕业于吉林大学,目前主持国家自然科学基金青年基金、北京市自然科学基金等项目,至今在Nature CommunicationsJournal of Materials Chemistry AMaterials Today EnergyScientific Reports等发表SCI论文30余篇,申请发明专利18项。

北京工业大学宋晓艳教授团队多年来致力于具有稳定高性能的金属纳米材料的设计制备与组织结构调控,研究方向包括硬质合金、稀土合金和计算材料学,形成了金属纳米材料稳定性基础研究工程应用紧密结合的发展主线和学术特色。2019年该团队在金属纳米材料的稳定性、硬质合金的超高强韧化与耐磨耐蚀性、金属结构材料多尺度力学行为模拟计算等方面的研究工作,分别发表于Science AdvancesAdvanced ScienceActa MaterialiaNanoscaleCorrosion ScienceInternational Journal of Plasticity等期刊。

上述工作得到了国家自然科学基金重点项目(51631002)、国家杰出青年科学基金(51425101)和国家自然科学基金青年基金项目(51701007)等资助。

 

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https://www.nature.com/articles/s41427-019-0179-x

 


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