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团队负责人

喻海良 教授

中南大学

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中南大学教授，博士生导师。主要从事深冷成形与高性能有色金属材料制备。入选国家海外高层次人才青年项目、中国科协海智计划特聘专家。以第一作者在科学出版社出版专著2部，已发表论文被 SCOPUS 检索220篇次，围绕深冷成形与极端服役性能材料加工领域获授权国家发明专利30项。荣获中国有色金属工业技术发明奖二等奖、教育部科技进步奖二等奖等奖励。现担任中国有色金属学会理事，《中国机械工程》等期刊的编委。

通讯作者

王赛 博士

中南大学

之江实验室博士后。主要从事零部件轻量化、变厚度结构设计等方面工作。在国际权威期刊 JMPT 等发表学术论文6篇，国家发明专利4项。

第一作者

高海涛 博士

中南大学

Materials 客座编辑

中南大学讲师。主要从事高性能金属层状复合板带的制备与深冷轧制成形。主持国家自然科学基金1项、博士后项目2项、湖南省自然科学基金2项，获中国有色金属工业技术发明奖二等奖1项，发表学术论文30余篇。

摘要

随着新能源汽车的普及与推广，结构部件的轻量化设计显得尤为重要。基于“电流趋肤效应”设计的铜铝复合板替代纯铜材料在减重、降低能耗等方面取得了重大进展。然而在电流长时间的热效应作用下，结合界面处铜铝金属间化合物层的厚度逐渐增大而出现界面微裂纹，导致复合板失效。因此，如何提升铜铝复合板的耐热疲劳性能显得尤为重要。

中南大学轻合金研究院的高海涛博士及其团队在 Materials 期刊发表了文章，介绍了含硬质夹层铜铝复合板在高温退火过程中的组织性能演变规律，该项研究对于提升导电用铜铝复合板的耐热疲劳性能具有重要意义。

图为硬质夹层作用下铜铝复合板界面处的空位扩散过程示意图。

研究过程与结果

作者在文中提出了一种硬质夹层提升铜铝复合板耐热疲劳性能的新方法，即在铜铝复合板制备过程中添加轧硬态的304不锈钢箔作为界面夹层金属，并探究了不同热处理温度作用下的铜铝复合板的界面组织性能演变规律。不锈钢箔夹层的添加将初始 Cu/Al 界面转变为 Cu/SUS304/Al 界面，在 450 ℃ 中间退火情况下，不锈钢箔夹层在轧制复合过程中发生破碎嵌入到铜铝基体中，显著提升了铜铝复合板的界面结合强度。当中间退火温度提升到 550 ℃ 时，界面处的原子扩散作用得到强化。在 Al/SUS304 结合界面处可以观察到明显的金属间化合物层，而 Cu 与 Fe、Cr、Ni 元素相互扩散会形成固溶体。值得注意的是，Al/SUS304 界面处形成的金属间化合物层在进一步冷轧过程中仍能保持其完整性，并未被压碎成单独的块体，说明 Al 与 304 不锈钢箔形成的金属间化合物的强度要高于 Cu/Al 金属间化合物。当中间退火温度高达 600 ℃ 时，先前清晰的 Cu/SUS304/Al 界面消失，取而代之的是混乱的多种复合界面。依据 Cu-Al 二元相图，在 600 ℃ 中间退火时铝铜接触位置会有液相产生。此时，Cu/SUS304 界面结合强度并不足以抵抗液相形成过程带来的扰动，304 不锈钢箔碎片从铜基体上脱落，并融入到铜铝液相中形成混乱的多种复合界面。

为了突出304不锈钢箔夹层对铜铝复合板耐热性能的强化效果，作者在对比不同中间退火温度对复合板界面结合强度的影响规律过程中额外引入了未添加硬质夹层、性能最佳的铜铝复合板界面撕裂曲线。随着中间退火温度的升高，复合板的剥离强度先增加后降低。相对于 550 ℃ 退火的铜铝复合板，其界面剥离强度从450退火下的 30.9 N/mm 提高到了 34.3 N/mm。此外，剥离强度曲线的波动略微增大，表明 SUS304/Cu 界面、Cu-Al 金属间化合物层和 Al 基体之间的结合强度差异正在扩大。Cu/Al 复合板结合界面的形成过程符合空位扩散机制。界面原子扩散的能量输入来自两个方面：中间退火处理的热能；由 SUS304 夹层和 Cu/Al 基体之间的塑性差异提供的剪切应变能。之前有研究表明，增加 SUS304 中间层的厚度可以通过增加结合界面的剪切应变能来提高界面结合强度。本文的研究结果表明，通过提高中间退火温度来增强界面原子扩散以及界面结合强度。而当中间退火温度提升到 600 ℃ 时，剥离强度急剧下降至 8.3 N/mm，主要是由于过厚的金属间化合物层促进了界面裂纹的形成及扩展。本文提出的界面转换新方法为耐热型高界面结合强度的轻质金属层状复合板的制备提供了一定的理论依据。

图为不同中间退火温度下含硬质夹层铜铝复合板的界面结合强度演变规律。

摘要

本文介绍了硬质夹层作用下铜铝复合板的耐热实验，详细探讨了不同中间退火温度下含硬质夹层铜铝复合板的界面组织和剥离强度的演变规律。通过提高中间退火温度，界面原子扩散显著增强。然而，当中间退火温度提升至 600 ℃ 时，结合界面处会形成液相，迫使清晰的 Cu/SUS304/Al 界面被混沌复合界面所取代。添加不锈钢箔夹层后，界面裂纹沿 Cu/SUS304 界面、Cu-Al 金属间化合物层和 Al 基体扩展。与 IFR-450 相比，IFR-550 的界面结合强度提高了11%，从 30.9 N/mm 提高到 34.3 N/mm，SUS304 碎片表面的明显褶皱和新的 Al₇Cu₂Fe 相的形成证明了这一观点。这些实验有力地支持了硬质夹层对铜铝复合板耐热性能的强化效果，对于提升铜铝复合板的热疲劳性能及使用寿命非常重要。

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Gao, H.; Gu, H.; Wang, S.; Xuan, Y.; Yu, H. Effect of Annealing Temperature on the Interfacial Microstructure and Bonding Strength of Cu/Al Clad Sheets with a Stainless Steel Interlayer. Materials 2022, 15, 2119.

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Edited by Xianghua Liu and Haitao Gao

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https://www.mdpi.com/journal/materials/special_issues/8M6REGB7YY

   Materials 期刊介绍

主编：Maryam Tabrizian, McGill University, Canada

主要关注材料科学与工程研究相关各个领域的最新研究成果，包括但不限于高分子、纳米材料，能源材料、复合材料、碳材料、多孔材料、生物材料、建筑材料、陶瓷、金属等，以及材料物理化学、催化、腐蚀、光电应用、结构分析和表征，建模等。

* Q1 (18/79) at category "Metallurgy and Metallurgical Engineering"

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