Cu涂层HfC_xN_y增强铜基复合材料的性能优化

《Surfaces and Interfaces》：Optimization of properties of Cu-coated HfC xN y reinforced copper matrix composites

通过电镀铜和火花等离子烧结制备了HfC_xN_y@Cu增强体铜基复合材料，显著提升了力学性能（抗拉强度达365 MPa）和导电性（保留72.5% IACS值），并优化了磨损性能（3 wt.%时磨损率最低0.979 mg/min）。表面处理有效解决了陶瓷增强体与金属基体润湿性差的问题，火花等离子烧结抑制了晶粒生长。研究证实核壳结构设计在提升机械强度、保持导电性和改善耐磨性方面具有协同效应。

　　

戴宇|曾凡浩|李增金|曾松|文景群

中南大学粉末冶金研究所，中国长沙410083

摘要

通过化学镀铜工艺制备了具有核壳结构的HfC_xN_y@Cu增强体，并通过火花等离子烧结将其整合到铜基体中。微观结构分析表明，铜涂层显著提高了界面粘附力和颗粒分布。3 wt.%的HfC_xN_y@Cu复合材料表现出优异的机械电气性能，其抗拉强度达到365 MPa，比纯铜提高了65.9%，同时保持了72.5%的IACS导电率。系统评估显示，随着增强含量的增加，显微硬度逐渐提高（98 - 136 HV），而耐磨性在3 wt.%时达到最大值，磨损速率最低为0.979 mg/min。对磨损表面的分析表明，磨损机制从两体磨损转变为三体磨损，并伴有氧化过程的参与。本研究建立了一种有效的界面工程策略，用于开发同时优化机械强度、电导率和摩擦学性能的高性能铜基复合材料。

引言

现代工业对高性能材料的需求不断增长，这加速了具有优异机械性能和高温稳定性的金属基复合材料（MMCs）的发展[[1], [2], [3]]。碳化物，特别是碳化铪（HfC_xN_y），因其高硬度、耐磨性和热稳定性而被认为是MMCs中最合适的增强相。HfC_xN_y因其独特的电子结构和化学稳定性而受到广泛关注，使其成为高性能材料的理想候选材料。

理论计算表明HfC_0.75N_0.22相的熔点在4321 K至4445 K之间[4]。实验验证HfC_xN_y的熔点为4232 ± 84 K，远高于纯HfC的熔点，并与理论预测一致[5]。HfC_xN_y作为铜基复合材料的增强相的适用性归因于其平衡的性能，包括高热稳定性、增强的机械性能（硬度、耐磨性）以及良好的耐腐蚀性。此外，其适中的电导率有利于保持复合材料的整体电气性能[6]。然而，其与熔融金属的较差润湿性给实现牢固的界面结合带来了根本性挑战，最终影响了复合材料的机械性能。

为克服陶瓷增强体与金属基体之间的固有不兼容性，对HfC_xN_y颗粒进行表面改性至关重要。本文采用化学镀铜（一种自催化化学工艺）来沉积均匀的金属涂层，显著提高了润湿性，并与铜基体建立了牢固的界面结合[7]。该技术还防止了烧结过程中的颗粒聚集，确保了颗粒在基体中的均匀分布，这对于提高弯曲强度、断裂韧性和耐磨性等机械性能至关重要。

先前的研究已经证明了化学镀铜在各种系统中的成功应用，例如Cu涂层的Al₂O₃ [8]、Ni涂层的SiC [9,10]和Co涂层的WC [7]。这些研究强调了化学镀铜在提升MMCs性能方面的有效性，为铜基复合材料中的这种方法奠定了基础。此外，火花等离子烧结（SPS）已成为这些复合材料的合适加工方法，具有快速加热、短烧结时间和抑制晶粒生长的优点，从而提高了致密度和优化了微观结构[11,12]。

尽管化学镀铜和SPS具有诸多优势，但关于这些技术对铜基复合材料界面特性和微观结构协同效应的系统研究仍然有限。因此，本研究探讨了使用化学镀铜对HfC_xN_y颗粒进行表面改性，随后通过SPS制备HfC_xN_y@Cu/Cu (HCU)复合材料。系统评估了这种表面改性对界面结合、致密度、微观结构演变、机械性能和高温烧蚀性能的影响。这项工作结合了界面优化和烧结技术，为在极端条件下开发高性能铜基复合材料提供了有价值的见解。

部分内容

化学镀铜

作为增强体的HfC_xN_y粉末是通过在氮气气氛中氮化铪制备的，具体方法参见参考文献[13]。通过惰性气体熔融分析（IGA）确定其化学组成为HfC_0.62N₃₈。Cu涂层的HfC_xN_y粉末是通过化学镀铜工艺制备的。在镀铜之前，HfC_xN_y粉末经过了一系列表面预处理，包括脱脂、蚀刻、活化和还原等步骤，以确保

HfC_xN_y粉末上的镀铜

原始HfC_xN_y和HfC_xN_y@Cu复合粉末的XRD图谱如图2a所示。两种谱图均显示出HfC_xN_y相的特征衍射峰，证实了其在原始粉末和复合粉末中的主导地位。此外，HfC_xN_y@Cu复合粉末的谱图（图2a）还显示了Cu的特征反射峰，证明了通过化学镀铜成功在HfC_xN_y表面沉积了Cu。

结论

本研究表明，通过对HfC_xN_y颗粒进行化学镀铜处理，有效解决了铜基复合材料中强度、导电性和耐磨性平衡的长期难题。核壳结构的HfC_xN_y@Cu体系能够同时提升机械性能并保持电气功能，其中最佳配比的3 wt.%复合材料抗拉强度提高了65.9%，同时保持了72.5%的导电率。

数据获取

本研究的数据可向相应作者索取。

作者贡献声明

戴宇：正式分析、数据管理、概念构建。曾凡浩：资源获取、方法论、研究实施、资金申请、正式分析、数据管理、概念构建。李增金：数据管理、概念构建。曾松：数据管理、概念构建。文景群：数据管理、概念构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号92066101）、国家重点研发计划（项目编号2024YFE03210000）和湖南省自然科学基金（项目编号2021JJ30820）的支持。