雙金屬復合材料可選擇性地利用組成元素及組分的特性，顯著提升材料的多目標性能，獲得獨特、優異的綜合性能，在航空航天和電力工業等領域發揮不可替代的重要作用。各組分之間界面的結合強度是決定雙金屬復合材料力學性能的關鍵因素。根據界面結合方式可將雙金屬復合材料分為兩種基本類型，即互溶和不互溶體系復合材料。對比兩種體系的界面結合強度，互溶原子之間的化學鍵強度往往高于不互溶體系。針對二元不互溶體系，其相界面強度可以用化學鍵強度σ表示為：2σ_A-B < σ_A-A+ σ_B-B。由此可知，相界面原子間的原始結合強度低且弱原子間鍵對溫度的敏感性是制約不互溶雙金屬復合材料在高溫、應力等復雜條件下服役性能和壽命的關鍵所在。

二元W-Cu合金是不互溶體系雙金屬復合材料的典型代表。W、Cu之間的不互溶性導致W/Cu界面結合較弱，嚴重制約其在極端條件下的應用。為此，改善W/Cu界面結合特性、提高W-Cu基復合材料的高溫力學性能，對提升關鍵高溫結構部件的使用壽命和可靠性具有重要意義。已有研究表明細化微觀結構和添加第三組分可提高W-Cu基金屬復合材料強度，但鮮有關于通過改善W/Cu界面同步提高W-Cu基復合材料強度和塑性的報道。如何針對性調控不互溶體系界面結合強度、實現雙金屬復合材料強度和塑性的協同提升，長期以來是復合材料領域的共性難題。

近期，北京工業大學宋曉艷教授研究團隊以W-Cu這種典型的不互溶體系為例，提出新的設計研發策略：構造低能相界面，協同提高W-Cu基復合材料的綜合力學性能，突破強度和塑性之間的互斥制約關系。研究團隊考慮界面能受化學鍵能和錯配能兩方面決定，利用創新的原位固相反應技術引入WC納米顆粒作為界面粘合劑，成功構建出比W/Cu界面結合強度明顯提高的WC/W和WC/Cu界面；另一方面，利用反應過程中原子的重新組合排列，形成能量更低的低錯配界面結構。利用原位固相反應和放電等離子燒結技術，成功制備獲得具有高比例低能WC/W和WC/Cu穩定界面的塊體復合材料。所制備的W-WC-Cu復合材料高溫下的強度和塑性均獲得顯著提高，突破了W-Cu基復合材料通常存在的強度-塑性互斥關系。此外，更高強度的低能界面可誘發W、Cu兩相產生除位錯主導外的其他塑性變形方式(如相變)，進一步延緩裂紋的產生和擴展，實現了W-WC-Cu復合材料的高溫強韌化。

相關研究工作以“Enhancing strength-ductility properties of immiscible W-Cu composite by creating low-energy phase interfaces”為題發表在復合材料頂刊Composites Part B，首次提出了構造低能穩定界面可有效解決不互溶體系強度和塑性互斥難題，為高強韌不互溶雙金屬復合材料的研發提供了新策略和新技術。該研究工作由北京工業大學和西澳大學合作完成，論文第一作者為北京工業大學材料科學與工程學院李昱嶸博士，通訊作者為北京工業大學宋曉艷教授，西澳大學劉亦農教授和北京工業大學毛圣成研究員為共同通訊作者。

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https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111520

以WO₃、CuO和WC為初始原料，利用原位固相反應合成含高比例低能WC/W和WC/Cu界面的W-WC-Cu復合粉末，結合放電等離子固相燒結制備得到含低能穩定界面的W-WC-Cu復合塊體材料。

圖1. W-WC-Cu復合材料的制備與微觀組織結構表征：(a)工藝流程示意圖，(b)各元素的分布狀態，(c-h)WC/W和WC/Cu的界面結構。

根據觀察到的界面結構特征，構建晶體學模型，分析得出WC與W、Cu之間在平行與垂直界面方向均具有低的錯配度，從晶體學角度證實WC/W和WC/Cu均為低能界面。

圖2. 研制的W-WC-Cu復合材料中WC/W和WC/Cu界面結構的晶體學分析：(a) (101)_WC/(110)_W，(b) (100)_WC/(00)_Cu。

在結構納米化、強化相彌散分布和低能相界的共同作用下，W-WC-Cu復合材料在600 ^oC下壓縮極限強度達到609 MPa，并表現出高達22.6%的壓縮塑性。對比傳統混粉燒結制備的W-WC-Cu及文獻報道的高性能W-Cu基復合材料，本研究制備的含低能穩定界面的W-WC-Cu復合材料兼具高強度和高塑性，并展現出優異的高溫力學性能。

圖3. 研制的W-WC-Cu復合材料的高溫力學性能：(a)與直接混合燒結W-WC-Cu復合材料600 ℃的壓縮性能對比，(b)與文獻報道W-Cu基復合材料的高溫強度和塑性對比，(c)與文獻報道的幾種高性能W-Cu基復合材料的應力-應變曲線對比。

利用原子分辨熱力耦合原位透射電鏡表征技術，對具有優異高溫力學性能的納米結構W-WC-Cu復合材料的高溫變形行為進行原位分析，探究了高溫應力狀態下組織結構與力學性能之間的關系，揭示了W-WC-Cu復合材料的高溫變形機理及其界面強化的原子尺度機制。結合第一性原理計算，提出了納米結構W-Cu基復合材料的獨特強韌化微觀機制，即WC/W、WC/Cu低能相界具有強的界面結合力，且在高溫承載過程中可誘發W、Cu兩相發生除位錯主導塑性變形外的其他塑性變形方式(如bcc-fcc相變)，進一步提高了材料的高溫塑性。

圖4. 含WC/W和WC/Cu低能界面的W-WC-Cu復合材料在600℃下拉伸變形過程的原子分辨原位觀察及低能界面的第一性原理計算分析：(a) 樣品在拉伸變形不同階段的HRTEM圖像，(b) 垂直于WC/W和WC/Cu低能界面的電荷密度分布，(c) WC/W和WC/Cu低能界面的靜電勢分布。

圖5. 在WC/W界面附近的應變誘導W相變：(a-d)不同應變狀態的HRTEM圖像，(e) W相發生BCC→FCC相變的晶格和原子構型變化示意圖。

圖6. WC/Cu界面對Cu相變形的影響研究：(a-d)不同應變狀態的HRTEM圖像，(e) WC中位錯滑動過程示意圖，(f-g)Cu相斷裂前后的HRTEM圖像。

李昱嶸，北京工業大學材料科學與工程學院助理研究員、碩士生導師。2021年獲得北京工業大學材料科學與工程專業工學博士學位，師從宋曉艷教授。主要研究方向為多主元合金的設計與研發。作為項目負責人主持了國家自然科學基金青年項目，同時作為骨干參與了多項國家自然科學基金項目。在Nat. Commun.、Adv. Sci.、Compos. Part B: Eng.、NPG Asia Mater.、J. Alloy. Compd. 等期刊發表SCI論文20篇，授權/公開國家發明專利12項。

北京工業大學宋曉艷教授研究團隊多年來致力于具有穩定高性能的合金微結構設計與制備調控，形成了“合金納米組織結構穩定性基礎研究”與“工程應用”緊密結合的發展主線和學術特色。團隊主持國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點、德國研究聯合會基金(DFG)、北京市自然科學基金重點等項目以及多項企業委托攻關項目，成果獲得省部級科技進步獎一等獎1項、自然科學獎二等獎3項、技術發明獎二等獎1項；授權和公開國際、國內發明專利100余項，高性能硬質合金規?；苽浼夹g落地企業實現重大成果轉化；于Sci. Adv.、Nat. Commun.、Adv. Mater.、Acta Mater.等期刊發表SCI論文360余篇，在國際國內學術會議上作大會/主旨/邀請報告80余次。