熔渗法制备石墨烯增强W-Mo-Cu复合材料研究 | MDPI Materials

作者简介

通讯作者

冯可芹 教授

　　四川大学教授、博士生导师，入选四川省学术和技术带头人后备人选和海外高层次留学人才。主要从事金属基复合材料的设计制备及加工、外场辅助材料合成与制备、钒钛资源综合利用等方面的研究。主持国家自然科学基金、教育部留学回国人员科研启动基金、中国博士后科学基金、四川省重点研发、四川省科技支撑等科研项目。发表SCI等高水平学术论文170余篇，获授权国家发明专利12项。受邀担任SCI期刊 Materials 客座主编，以及多个国内外知名期刊审稿人。

周虹伶 副研究员

　　重庆大学副研究员、美国宾夕法尼亚州立大学访问学者。主要从事极端环境下材料结构与物性的计算模拟、基于外场辅助的材料快速制备技术、高性能合金及陶瓷的设计制备及加工研究。主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金青年基金、重庆市自然科学基金面上项目、博士后研究项目特别资助、中央高校基本科研业务费项目、重庆市出站留渝博士后择优资助项目、教育部重点实验室开放研究课题基金等科研项目。在 Acta Materialia、Additive Manufacturing 等期刊发表SCI论文50余篇；授权/公开国家发明专利13项。受邀担任SCI期刊 Materials 客座主编，并任 Materials、Progress in Natural Science-Materials International、Tungsten、粉末冶金技术、材料热处理学报等期刊青年编委，兼任多个国内外知名期刊审稿人。

第一作者

蔡锦文 博士研究生

　　四川大学机械工程学院材料加工工程专业博士研究生，主要从事难熔金属以及金属陶瓷的制备及加工研究。参与国家自然科学基金、四川省重大科技专项揭榜挂帅项目等科研项目；现已发表SCI论文4篇，EI论文1篇。

文章导读

　　W-Mo-Cu新型复合材料兼具钨 (W) 和钼 (Mo) 的高熔点、高强度特性与铜 (Cu) 的优异导热导电性能，在航空航天、电子封装和高压电触头等领域具有广阔的应用前景。然而，该类材料在工程化推广应用中仍面临烧结致密化困难和性能提升有限等关键技术瓶颈。如何通过工艺创新实现组织与性能的协同优化，已成为该领域研究的热点方向。针对这一问题，四川大学冯可芹教授与重庆大学周虹伶副研究员团队在 Materials 期刊发表题为“Tailoring Microstructure and Properties of W-Mo-Cu Composites Fabricated via Infiltration Sintering: Effects of Graphene Addition and Skeleton Relative Density”的研究成果，基于熔渗烧结法，通过添加铜包覆石墨烯 (Cu@Gr) 及调控W-Mo生坯骨架密度，显著改善了复合材料的微观结构与综合性能。该工作为新一代高性能W-Mo-Cu复合材料的设计与制备提供了重要的理论支撑与技术指导，具有重要的推广价值和工程应用前景。

　　研究过程与结果

　　本研究系统探讨了铜包覆石墨烯 (Cu@Gr) 和W-Mo生坯骨架密度对熔渗烧结法制备W-Mo-Cu复合材料微观组织与综合性能的协同调控作用。采用化学镀铜法对石墨烯进行表面改性，通过优化的敏化—活化工艺成功制备出表面包覆均匀、连续铜层的Cu@Gr (图1)，为W-Mo-Cu复合材料的稳定制备提供了关键保障。

图1. 铜包覆石墨烯 (Cu@Gr) 的微观组织形貌。

　　在1300 °C保温1.5小时条件下，通过熔渗烧结法制备了W-Mo-Cu复合材料。此工艺参数不仅保证了铜熔体的充分渗透，有效抑制了铜的挥发与晶粒粗化，同时促进了W-Mo骨架中粉末颗粒间的冶金结合，提升了其结构强度，从而显著增强了W-Mo-Cu复合材料的综合性能。

　　系统研究了Cu@Gr的添加对W-Mo-Cu复合材料的微观结构和性能的影响。结果发现，未添加Cu@Gr的样品微观结构疏松且存在明显孔隙；而当添加0.6 wt.% Cu@Gr时，W-Mo-Cu复合材料具有均匀致密的微观结构，铜相分布连续，界面结合良好，综合性能最优。具体表现为：较未添加Cu@Gr的样品，W-Mo-Cu复合材料的相对密度提升至98%，热导率 (181.54 W/(m·K)) 和电导率 (35.99 %IACS) 分别增长64%和73%，维氏硬度提高至256.57 HV (图2)。

图2. 不同Cu@Gr含量下的W-Mo-Cu复合材料性能。

　　此外，通过调控W-Mo生坯骨架的相对密度 (73–85%)，实现了对W-Mo-Cu复合材料性能的可调控设计。XRD结果 (图3)显示，尽管W-Mo生坯骨架密度变化，W-Mo-Cu复合材料的相组成基本稳定，主要由W相、Mo相、Cu相和Mo2C相构成。SEM结果表明，W-Mo-Cu复合材料微观结构均匀致密，Cu相渗透于骨架中，呈现出良好的铜网结构。由于铜包覆石墨烯与金属Cu在高温下具有优异的润湿性，即使W-Mo生坯骨架密度降低，也未显著影响材料的致密化程度。

图3. 不同W-Mo生坯骨架密度下制备的W-Mo-Cu复合材料的XRD结果。

研究总结

　　本研究采用熔渗烧结法制备了石墨烯增强W-Mo-Cu复合材料，在材料性能提升方面取得了显著进展。通过引入铜包覆石墨烯Cu@Gr，不仅充分发挥了石墨烯自身优异的导热、导电率和力学性能，还显著改善了石墨烯的分散性及其与金属间的润湿性，促进铜液更充分地渗透于W-Mo骨架，显著提升了复合材料的致密性与综合性能。结果表明，相较于未添加Cu@Gr的样品，添加0.6 wt.%铜包覆石墨烯 (Cu@Gr) 可使复合材料致密度提升至98%，提高约8%；热导率和电导率分别增至181.54 W/(m·K) 和35.99% IACS，提升幅度分别达64%和73%；维氏硬度提高24%，达到256.57 HV。此外，系统调控W-Mo骨架密度 (73–85%) 实现了性能的可控调节：低骨架密度有助于提升导电性，最高可达44.84% IACS；高密度则有利于增强力学性能，硬度最高达270.56 HV。该研究突破了W-Mo-Cu复合材料在工业应用推广中的关键技术瓶颈，具有重要的理论意义和广阔的工程应用前景。

　　来源：MDPI化学材料