近期，中國科學院合肥物質院固體所內耗與固體缺陷研究部在高強高熱導耐熱銅合金研究方面取得新進展。相關結果以“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核能、高速軌道交通、電子芯片、強電磁等領域具有重要的應用。銅合金用作核聚變堆高熱負荷部件的熱沉材料時，需要同時具備高強度、高熱導率、高溫穩(wěn)定及抗輻照等綜合性能。然而，銅合金的強度、導熱性能和高溫穩(wěn)定性三者之間往往相互制約。例如，通過細化晶粒制備的納米晶銅的強度得到大幅提高，但其熱穩(wěn)定性差。沉淀強化型銅合金如CuCrZr合金，作為國際熱核聚變實驗堆（ITER）的主要候選熱沉材料，其在室溫及中低溫度下具有高強度和良好導熱性能，但在較高溫度下沉淀強化相發(fā)生粗化或溶解，導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、高熱導率以及與Cu不互溶等特性，采用液相合成和低溫分段還原技術制備了納米W顆粒均勻分布的W@Cu核殼結構復合粉體，再結合放電等離子體燒結獲得了高強、高熱導、高溫穩(wěn)定的納米結構Cu-W合金。合金中的納米W顆粒（~7.6 nm）均勻分布在超細晶Cu基體內，有效地提高了材料的強度和高溫穩(wěn)定性，同時晶體內的納米孿晶界也能夠顯著提高材料強度。由于合金中的W顆粒非常細小、與Cu基體不互溶，添加少量W（1.8 at%）就可以達到非常好的彌散增強效果，同時減少對導熱/導電性能的影響，從而有效克服了銅合金強度-熱導率-熱穩(wěn)定性相互制約問題。納米結構Cu-W合金的室溫抗拉強度達709 MPa、熱導率為370 Wm-1K-1，在800℃高溫下仍能夠保持晶粒組織穩(wěn)定，其室溫及高溫強度、熱導率和高溫穩(wěn)定性均顯著優(yōu)于ITER的CuCrZr合金。此外，納米結構Cu-W合金還具有高導電性（室溫電導率85.1% IACS）和優(yōu)異的抗輻照性能。該工作為高強、高導熱/導電、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、國家自然科學基金、安徽省自然科學基金和合肥研究院院長基金等項目的支持。

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

圖1. 納米結構Cu-W合金的TEM照片及W顆粒的尺寸分布。

圖2. 納米結構Cu-W合金的力學性能、導熱性能以及與其它銅基材料的性能比較。