制备过程对Cu/Al层压复合材料界面微观结构及性能的影响

《Vacuum》：Influence of the preparation process on the interfacial microstructure and properties of Cu/Al laminated composite materials

　　张书亚|郭倩|雅斌|周炳文|孟凌刚|张兴国
大连工业大学，中国大连，116024

**摘要**
为了制备具有轻质结构以及优异热导率和电导率的Cu/Al层压复合材料，本研究采用真空热压扩散 bonding 方法来探讨 bonding 过程对界面微观结构演变、显微硬度以及热/电性能的影响。结果表明，从 Al 向 Cu 的扩散层依次由 Al(Cu) 固溶体、Al2Cu、AlCu、Al2Cu3、Al4Cu9 和 Cu(Al) 固溶体组成。随着温度的升高和时间的延长，整体性能趋于下降。在 550°C 下加热 4 小时时，可以获得最佳的冶金 bonding 效果，此时材料的电导率为 52.69% IACS，热导率为 268.3 W/(m·K)。在最佳工艺条件下，将 Cu/Al 层厚度从 0.5/0.5 mm 增加到 3/3 mm 可显著提高电导率和热导率，分别达到 73% IACS 和 316.14 W/(m·K)。基于金属间化合物 (IMCs) 的生长动力学和界面扩散机制，研究发现 IMCs 最初以岛屿状结构形成，随后逐渐转变为连续的多层扩散层。热传递机制分析表明，复合材料的导热性主要受 IMCs 的体相热阻、界面热阻以及 Cu 基体中的固溶体梯度区域控制。

**引言**
目前，制造业是中国区域发展的基石。电力与电气工程、轨道交通和机械制造等行业对功能性材料的需求持续增长。铜 (Cu) 是电动汽车和电子封装等关键行业中的关键且不可或缺的材料 [1,2]。尽管国内铜矿开采活动有所加强，但供应仍无法满足不断增长的铜资源市场需求。因此，提出了“用铝 (Al) 替代铜”的战略理念。铝具有低密度、成本效益高和耐腐蚀性等优良特性，使其成为轻量化工程应用中的关键材料。铜与铝的结合产生了兼具两种金属优点的层压复合材料，满足了基础设施应用中对电导率的要求。其轻质特性进一步帮助新能源汽车减轻导电部件的重量，提高燃油效率并延长行驶里程，同时有助于降低成本 [3,4]。目前，Cu/Al 层压复合材料具有广泛的应用前景，市场上有 Cu 包覆铝复合线、Cu/Al 复合扁条和 Cu/Al 过渡接头等产品 [5]。

不同金属之间的高效 bonding 是制备 Cu/Al 层压复合材料的核心技术。近年来，国内外研究人员开发了多种制备工艺，相关研究不断涌现，呈现出多样化趋势。袁等人通过滚压 bonding 和后续热处理制备了 Al-Cu 复合板，并阐明了界面处金属间化合物的腐蚀行为 [6]。张等人开发了一种新型 Ti-Zr-Ni-Cu-Ta 钎焊合金，在 980°C 下加热 20 分钟后，TiAl 接头的剪切强度达到 274 MPa [7]。张等人揭示了 Mg/Al 电磁脉冲焊接中波浪状界面的形成机制及加工参数与强度之间的关系 [8]。彭等人将 B(OCH3)3 作为活化剂引入冷金属转移 (CMT) 包覆工艺，优化了 Cu-Mn-Al 合金涂层的形成 [9]。寇等人通过电弧振荡改进了不同铝合金增材制造过程中的层间 bonding 和微观结构均匀性 [10]。乔等人确定 450 rpm 是 AA6061 的增材摩擦搅拌沉积 (AFSD) 的最佳旋转速度 [11]。肖等人利用脉冲化学气相沉积 (CVD) 工艺制备了多层异质碳基复合材料，通过调节气体比例和沉积周期实现了高热稳定性和出色的电磁干扰屏蔽效果 [12]。胡等人应用飞秒激光调节 Cu 基材的表面粗糙度，研究了其对 Cu/Sn 接头润湿性、金属间化合物生长和剪切性能的影响机制 [13]。

尽管已经开发了许多不同金属连接工艺，现有技术仍存在局限性。滚压 bonding 虽然高效，但仅形成机械连接，需要后续热处理才能实现冶金连接；此外，该工艺需要较高的还原比，不适合制备厚复合材料 [14]。钎焊技术容易因钎焊合金成分与基底之间的不匹配而产生界面缺陷，高温工艺可能导致 IMCs 过度生长。电磁脉冲焊接对放电能量和冲击角度等工艺参数敏感，难以在大规模生产中保持稳定性。CMT 包覆和增材制造技术主要用于表面涂层或薄壁组件的制备，其在多层厚板制备中的应用仍有限。尽管飞秒激光等精密加工技术可以调节界面性能，但需要精确控制工艺参数以确保接头性能的稳定性，这些技术应用于厚 Cu/Al 多层板的 bonding 仍需进一步探索。

与以往工艺相比，真空热压扩散方法具有显著优势：它能防止表面氧化和污染，保持界面清洁，高温高压条件促进原子扩散，从而实现不同金属之间的强冶金连接。该方法不仅适用于不同厚度和结构的金属连接，还能有效避免界面孔隙和夹杂物等缺陷。此外，设备操作简便且安全性高，是制备厚质高性能不同金属复合材料的首选技术 [15]。徐等人 [16] 使用真空热压扩散工艺对两个厚度均为 10 mm 的 2A12 铝合金试样进行了固态 bonding，观察到在 560°C 时界面发生了显著修复，接头强度达到 318 MPa。真空热压工艺促进了界面处的动态再结晶，使复合材料实现了良好的冶金连接。郑等人 [17] 采用真空热压方法制备了石墨烯增强的 Cu/Al/Cu 层压复合材料，结果表明石墨烯的加入显著提高了复合材料的电导率；当 Cu/Gr 层厚度从 1 mm 增加到 1.2 mm 时，含石墨烯样品的电导率从 68.8% IACS 提高到 71.9%，而未添加石墨烯的对照组仅提高了 3.6%。Kemal Ayd?n [18] 研究了真空热压扩散 bonding 过程中温度和保温时间对 Ti–6Al–4V/电解铜接头机械性能的影响，发现 890°C 下保温 60 分钟时接头最大剪切强度达到 27.64 MPa，且强度随温度升高和保温时间延长而增加。邹等人 [19] 通过真空热压扩散制备了 Cu/Al 双金属材料，发现材料整体剪切强度随 bonding 温度的升高而增加；但温度进一步升高时，IMCs 的过度生长导致剪切强度下降。

尽管真空热压扩散方法在连接不同金属方面具有显著优势，但目前研究仍存在不足：大多数研究仅关注两层或三层基板的 bonding，而对多层 Cu/Al 层压材料的制备和界面调控的研究相对较少；此外，对其性能的研究主要集中在机械和电性能上，热传导机制尚未系统阐明。本研究的新颖之处在于：采用真空热压扩散方法制备 Cu/Al 层压复合材料，系统研究了热压参数和层厚度对界面微观结构演变的影响，确定了最佳工艺条件，分析了 IMCs 的生长动力学和界面扩散 bonding 机制，并阐明了热传导机制。本研究旨在为高性能 Cu/Al 层压复合材料的工艺优化和结构设计提供理论支持和实验依据。

**材料准备**
实验使用了 1060 纯度铝 (1060 Al) 和 T2 工业纯铜 (T2 Cu)。通过 X 射线荧光光谱 (XRF) 测定的 Cu 和 Al 板的主要化学成分见表 1 和表 2。T2 Cu 板和 1060 Al 板为圆形，直径 108 mm，厚度分别为 0.5 mm、1 mm、2 mm 和 3 mm。

**不同真空水平下的界面元素分布**
在系统优化温度、时间和层厚度参数之前，本研究首先通过初步实验确定了合适的真空条件。在 540°C、保温时间 4 小时、层厚度比 0.5/0.5 mm 的固定条件下，比较了两种真空水平 (20 Pa 和 1×10^-2 Pa) 对界面元素分布的影响。选择 540°C/4 小时作为固定参数是基于初步实验结果。

**Cu/Al 界面处 IMCs 生长的热力学和动力学分析**
根据 Cu-Al 二元相图，Cu 和 Al 在液态下完全互溶。然而在室温下，Cu 在 Al 中的溶解度可以忽略不计 [30]。Cu 在 Al 基体中的溶解度随温度升高而逐渐增加，在 548°C 时达到最大值 5.65 wt%。当 Cu 原子扩散到新的平衡位置并超过固溶极限时，Cu/Al 界面会发生共晶反应，形成 α-Al(Cu) 固溶体。

**结论**
(1) Cu/Al 层压复合材料的最佳热压工艺条件为 550°C/4 小时。在此条件下，界面形成了优异的冶金连接，形成了四种稳定的 IMCs，复合材料的电导率为 52.69% IACS，热导率为 268.3 W/(m·K)，为制备 Cu/Al 层压复合材料提供了可靠的技术基础。
(2) 明确了基板层厚度对 Cu/Al 层压复合材料热导率和电导率的影响。

**作者贡献声明**
张书亚：撰写原始稿件；郭倩：数据整理；雅斌：形式分析；周炳文：资金获取；孟凌刚：方法研究；张兴国：监督。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
本研究得到了国家自然科学基金项目 (51971049) 的支持。