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研究背景
随着现代工业的快速发展，单一金属材料越来越难以满足高性能要求与合理成本的双重挑战。复合材料，尤其是金属基复合材料，因其优异的综合性能而成为解决这一问题的有效途径。在众多金属复合材料中，Cu-Al（铜-铝）复合材料因其结合了铜的高导电性和铝的低密度而备受关注，广泛应用于电力传输设备等领域。然而，Cu-Al复合材料在实际应用中常常面临一个严峻的问题：界面结合强度不足。由于Cu和Al在界面处极易形成脆性金属间化合物，这些化合物的存在严重降低了界面的结合强度，导致复合材料在复杂载荷（如扭转和弯曲）下容易发生断裂或失效。传统的解决方法是通过减少金属间化合物层的总厚度来提高界面结合强度，但这种方法在实际应用中存在局限性。随着加工技术的进步，金属间化合物层的厚度已经接近下限，但即便如此，界面结合强度仍然不足以满足某些苛刻应用（如航空航天领域）的长期服务要求。因此，开发新一代具有高界面结合强度的Cu-Al复合材料成为了材料科学领域的一个重要研究方向。
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成果简介
在这项研究中，研究人员通过合金设计和工艺控制，成功开发了一种新型Cu合金/Al合金界面，其剪切强度达到了126±15 MPa，几乎是之前研究报道值的两倍。这一卓越的界面结合强度归因于特殊的界面结构，该结构由脆性金属间化合物层内部通过栓状的亚稳Cu2Al3相连接而成。在固液复合加工过程中，Cu和Al合金界面处形成了液态扩散层。随后，在Cu侧形成了Cu4Al7Ni前驱相，并转变为具有带状结构的亚稳Cu2Al3相。最终，形成了与Cu2Al3相完全连接的Cu9Al4和CuAl2层。Cu2Al3相的带状排列作用是阻断裂纹扩展，并使裂纹偏转至共晶层和Al合金中，从而实现了超高的界面结合强度。这项工作表明，通过调整界面结构而不是减少界面厚度，可以实现高界面结合强度，为开发高性能双金属界面开辟了新途径。
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图文导读
图1 展示了样品#1的界面形态，包括不同放大倍数下的扫描电子显微镜（SEM）图像，以及对应的能谱分析（EPMA）图。
图2 展示了样品#2的界面形态，同样包括不同放大倍数下的SEM图像和EPMA图。
图3 透射电子显微镜（TEM）分析样品#1界面相的晶体结构，包括高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）和环形明场扫描透射电子显微镜（ABF-STEM）图像。
图4 TEM分析样品#2的复合界面相，展示了亮场图像和选区衍射图样。
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小结
本研究成功设计并制备了一种新型Cu/Al界面，通过固液复合工艺实现了高达126±15 MPa的界面剪切强度，这一成果几乎翻倍于先前报道的Cu/Al界面层。研究发现，Cu2Al3相的带状结构在CuAl2层和Cu9Al4层之间形成，这一结构的形成与特定的合金成分和铸造过程密切相关。Cu2Al3相具有中等硬度和弹性模量，能够适应Cu9Al4和CuAl2层之间的变形不匹配。同时，Cu2Al3相的栓状形态抑制了裂纹的扩展，甚至导致裂纹偏转，直接贡献于高剪切强度。与传统观念相反，即通过控制界面层厚度来获得高剪切强度，本研究提出了通过适当的合金化调节液态扩散层的冷却转变，形成具有增强效果的新相，从而获得优异的界面结合性能。这一发现不仅为Cu-Al复合材料的界面强化提供了新的思路，也为其他类型的双金属界面的结合强度提升提供了新的方法。
文献：
https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120589
