双金属复合材料可选择性地利用组成元素及组分的特性，显著提升材料的多目标性能，获得独特、优异的综合性能，在航空航天和电力工业等领域发挥不可替代的重要作用。各组分之间界面的结合强度是决定双金属复合材料力学性能的关键因素。根据界面结合方式可将双金属复合材料分为两种基本类型，即互溶和不互溶体系复合材料。对比两种体系的界面结合强度，互溶原子之间的化学键强度往往高于不互溶体系。针对二元不互溶体系，其相界面强度可以用化学键强度σ表示为：2σA-B < σA-A + σB-B 。由此可知，相界面原子间的原始结合强度低且弱原子间键对温度的敏感性是制约不互溶双金属复合材料在高温、应力等复杂条件下服役性能和寿命的关键所在。
二元W-Cu合金是不互溶体系双金属复合材料的典型代表。W、Cu之间的不互溶性导致W/Cu界面结合较弱，严重制约其在极端条件下的应用。为此，改善W/Cu界面结合特性、提高W-Cu基复合材料的高温力学性能，对提升关键高温结构部件的使用寿命和可靠性具有重要意义。已有研究表明细化微观结构和添加第三组分可提高W-Cu基金属复合材料强度，但鲜有关于通过改善W/Cu界面同步提高W-Cu基复合材料强度和塑性的报道。如何针对性调控不互溶体系界面结合强度、实现双金属复合材料强度和塑性的协同提升，长期以来是复合材料领域的共性难题。
近期，北京工业大学宋晓艳教授研究团队以W-Cu这种典型的不互溶体系为例，提出新的设计研发策略：构造低能相界面，协同提高W-Cu基复合材料的综合力学性能，突破强度和塑性之间的互斥制约关系。研究团队考虑界面能受化学键能和错配能两方面决定，利用创新的原位固相反应技术引入WC纳米颗粒作为界面粘合剂，成功构建出比W/Cu界面结合强度明显提高的WC/W和WC/Cu界面；另一方面，利用反应过程中原子的重新组合排列，形成能量更低的低错配界面结构。利用原位固相反应和放电等离子烧结技术，成功制备获得具有高比例低能WC/W和WC/Cu稳定界面的块体复合材料。所制备的W-WC-Cu复合材料高温下的强度和塑性均获得显著提高，突破了W-Cu基复合材料通常存在的强度-塑性互斥关系。此外，更高强度的低能界面可诱发W、Cu两相产生除位错主导外的其他塑性变形方式(如相变)，进一步延缓裂纹的产生和扩展，实现了W-WC-Cu复合材料的高温强韧化。
相关研究工作以“Enhancing strength-ductility properties of immiscible W-Cu composite by creating low-energy phase interfaces”为题发表在复合材料顶刊Composites Part B，首次提出了构造低能稳定界面可有效解决不互溶体系强度和塑性互斥难题，为高强韧不互溶双金属复合材料的研发提供了新策略和新技术。该研究工作由北京工业大学和西澳大学合作完成，论文第一作者为北京工业大学材料科学与工程学院李昱嵘博士，通讯作者为北京工业大学宋晓艳教授，西澳大学刘亦农教授和北京工业大学毛圣成研究员为共同通讯作者。
全文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111520
以WO3、CuO和WC为初始原料，利用原位固相反应合成含高比例低能WC/W和WC/Cu界面的W-WC-Cu复合粉末，结合放电等离子固相烧结制备得到含低能稳定界面的W-WC-Cu复合块体材料。
图1. W-WC-Cu复合材料的制备与微观组织结构表征：(a)工艺流程示意图，(b)各元素的分布状态，(c-h)WC/W和WC/Cu的界面结构。
根据观察到的界面结构特征，构建晶体学模型，分析得出WC与W、Cu之间在平行与垂直界面方向均具有低的错配度，从晶体学角度证实WC/W和WC/Cu均为低能界面。
图2. 研制的W-WC-Cu复合材料中WC/W和WC/Cu界面结构的晶体学分析：(a) (1-101)WC/(110)W，(b) (10-10)WC/(-200)Cu。
在结构纳米化、强化相弥散分布和低能相界的共同作用下，W-WC-Cu复合材料在600 oC下压缩极限强度达到609 MPa，并表现出高达22.6%的压缩塑性。对比传统混粉烧结制备的W-WC-Cu及文献报道的高性能W-Cu基复合材料，本研究制备的含低能稳定界面的W-WC-Cu复合材料兼具高强度和高塑性，并展现出优异的高温力学性能。
图3. 研制的W-WC-Cu复合材料的高温力学性能：(a)与直接混合烧结W-WC-Cu复合材料600 ℃的压缩性能对比，(b)与文献报道W-Cu基复合材料的高温强度和塑性对比，(c)与文献报道的几种高性能W-Cu基复合材料的应力-应变曲线对比。
利用原子分辨热力耦合原位透射电镜表征技术，对具有优异高温力学性能的纳米结构W-WC-Cu复合材料的高温变形行为进行原位分析，探究了高温应力状态下组织结构与力学性能之间的关系，揭示了W-WC-Cu复合材料的高温变形机理及其界面强化的原子尺度机制。结合第一性原理计算，提出了纳米结构W-Cu基复合材料的独特强韧化微观机制，即WC/W、WC/Cu低能相界具有强的界面结合力，且在高温承载过程中可诱发W、Cu两相发生除位错主导塑性变形外的其他塑性变形方式(如bcc-fcc相变)，进一步提高了材料的高温塑性。
图4. 含WC/W和WC/Cu低能界面的W-WC-Cu复合材料在600℃下拉伸变形过程的原子分辨原位观察及低能界面的第一性原理计算分析：(a) 样品在拉伸变形不同阶段的HRTEM图像，(b) 垂直于WC/W和WC/Cu低能界面的电荷密度分布，(c) WC/W和WC/Cu低能界面的静电势分布。
图5. 在WC/W界面附近的应变诱导W相变：(a-d)不同应变状态的HRTEM图像，(e) W相发生BCC→FCC相变的晶格和原子构型变化示意图。
图6. WC/Cu界面对Cu相变形的影响研究：(a-d)不同应变状态的HRTEM图像，(e) WC中位错滑动过程示意图，(f-g)Cu相断裂前后的HRTEM图像。
李昱嵘，北京工业大学材料科学与工程学院助理研究员、硕士生导师。2021年获得北京工业大学材料科学与工程专业工学博士学位，师从宋晓艳教授。主要研究方向为多主元合金的设计与研发。作为项目负责人主持了国家自然科学基金青年项目，同时作为骨干参与了多项国家自然科学基金项目。在Nat. Commun.、Adv. Sci.、Compos. Part B: Eng.、NPG Asia Mater.、J. Alloy. Compd. 等期刊发表SCI论文20篇，授权/公开国家发明专利12项。
北京工业大学宋晓艳教授研究团队多年来致力于具有稳定高性能的合金微结构设计与制备调控，形成了“合金纳米组织结构稳定性基础研究”与“工程应用”紧密结合的发展主线和学术特色。团队主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点、德国研究联合会基金(DFG)、北京市自然科学基金重点等项目以及多项企业委托攻关项目，成果获得省部级科技进步奖一等奖1项、自然科学奖二等奖3项、技术发明奖二等奖1项；授权和公开国际、国内发明专利100余项，高性能硬质合金规模化制备技术落地企业实现重大成果转化；于Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Acta Mater.等期刊发表SCI论文360余篇，在国际国内学术会议上作大会/主旨/邀请报告80余次。
