【摘 要】
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铜/碳复合材料通常是以铜为基体,与碳质材料（包括金刚石、石墨、碳纤维、碳纳米管和石墨烯等）作为增强相而制得的铜基复合材料。在基体中引入碳质材料能够显著提高铜/碳复合材料的强度、耐高温性、耐磨耐蚀性等性能,这种复合材料在航空航天、轨道交通、电子工业等领域具有广阔的应用前景。自铜/碳复合材料问世以来,铜基体与碳质材料的界面就成为众多学者关注的焦点。业界渴望铜能与碳质材料获得良好的相容性。然而,即便在过
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铜/碳复合材料通常是以铜为基体,与碳质材料（包括金刚石、石墨、碳纤维、碳纳米管和石墨烯等）作为增强相而制得的铜基复合材料。在基体中引入碳质材料能够显著提高铜/碳复合材料的强度、耐高温性、耐磨耐蚀性等性能,这种复合材料在航空航天、轨道交通、电子工业等领域具有广阔的应用前景。自铜/碳复合材料问世以来,铜基体与碳质材料的界面就成为众多学者关注的焦点。业界渴望铜能与碳质材料获得良好的相容性。然而,即便在过热温度下液态铜与碳仍不发生反应且不润湿,由此形成的界面质量难以满足工业生产的需求。因此,研究铜基合金对碳质材料的润湿机制,进一步了解其界面结构特征,并设法改善铜基合金对碳质材料的润湿性,对优化生产制造铜/碳复合材料工艺有着重要意义。研究结果可对开发高性能的铜/碳复合材料提供重要的理论依据。本文应用改良座滴法,并利用SEM,EDS,XRD,光学显微镜等检测分析手段,同时结合界面热力学及铺展动力学模型等理论分析研究了Cu-xSn-yCr合金在石墨表面及Cu-x Ce合金在不同碳材质表面的润湿性与铺展动力学,在揭示界面的微观结构特征的同时,分析了润湿机制与铺展动力学规律,获得的主要研究结论如下:（1）铈在石墨基板上的完全润湿是由于铈渗入孔中而实现。此外,石墨在铈中的溶解降低了铈液体的表面张力,进而发生渗透,直至被铈完全消耗,形成含Ce碳化物。铈/CVD-金刚石的界面上没有连续的反应层,WC的分解反应是导致最终接触角（24°）较低的主要原因。在铈/巴基纸（NWCNTs）体系中,NWCNTs管壁高度结晶的稳定性导致了相对较大的接触角。在铈/石墨纸和Cu-Ce/石墨基板中铈与碳在界面处发生了反应。石墨纸具有特殊的结构,使铈与石墨完全反应,液滴在最后阶段转化为固体。在铜合金中加入超过20 at.%的铈可以显著改善润湿性。其中界面处的反应产物和Cu-Ce合金中铈引起的表面张力降低导致了最终润湿性的改善。（2）在Cu-xSn-yCr/石墨体系中,微量的铬（0.5～2 at.%）通过参与界面反应析出可润湿的Cr-C化合物有效促进润湿,其中锡作为表面活性元素有效降低了三元熔体的表面张力。随着锡浓度的增加（从10 at.%至80 at.%）,界面处的主要析出相会发生由Cr7C3至Cr3C2的转变,导致润湿性略微恶化。其中锡浓度导致的界面主要析出相转变存在临界转变浓度,约为35 at.%。Cu-xSn-yCr/石墨体系中所有铺展过程可以由扩散控制的铺展动力学模型来描述。当锡浓度低于该临界浓度（35 at.%）时,铬通过熔滴表面的锡偏析层从熔体中转移到三相线附近,进而强化物质传输形成前驱膜。反之,当锡浓度高于该临界浓度（35 at.%）时,铬通过熔滴表面传输的通道消失,故无前驱膜产生。（3）温度（800-1100℃）对Cu-20Sn-2Cr/石墨体系界面化合物析出和铺展动力学有着显著影响,其中800℃与900℃之间存在临界转变温度。在800℃界面析出以Cr3C2为主,铺展动力学符合界面反应动力学控制的线性铺展行为。在900℃及以上温度界面析出以Cr7C3为主,且这种温度决定的界面Cr-C化合物析出符合界面平衡的热力学规律,其中Cu-20Sn-2Cr/CrxCy的润湿性印证了界面产物决定润湿理论,铺展动力学受活性组元铬往三相线传输的扩散行为所控制。综上所述,研究结果丰富了铜基合金与碳质材料润湿铺展的相关基础理论,同时对高性能铜/碳复合材料的制备具有一定的理论指导意义。
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