【摘 要】
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铜基材料凭借优异的机械与物理性能被广泛应用于航空航天、机械加工、电力、电子等行业。然而,导电用铜材往往存在严重强度-导电率和强度-塑性相矛盾的力-电学性能倒置关系,这限制了铜基导体材料的实际应用。层状结构具有能够综合其组元本征性能的特性,被认为是改善导电用铜材力-电学性能倒置关系的有效途径。基于此,本研究利用累积叠轧与中间退火技术成功制备了兼具优异力-电学性能的Cu/Ag、Cu/Cu-Cr-Zr两
【基金项目】
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国家自然科学基金（编号:52001146,51804138,51871114,51761013）； 江西省教育厅科技研究项目（GJJ180478）； 江西省自然科学基金（编号:2019ACB20003,20192ACBL21013,20202BAB214001）； 宁波市科技局重点科技创新研发项目
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铜基材料凭借优异的机械与物理性能被广泛应用于航空航天、机械加工、电力、电子等行业。然而,导电用铜材往往存在严重强度-导电率和强度-塑性相矛盾的力-电学性能倒置关系,这限制了铜基导体材料的实际应用。层状结构具有能够综合其组元本征性能的特性,被认为是改善导电用铜材力-电学性能倒置关系的有效途径。基于此,本研究利用累积叠轧与中间退火技术成功制备了兼具优异力-电学性能的Cu/Ag、Cu/Cu-Cr-Zr两种层状结构铜基复合块材。研究了累积叠轧过程层状结构微观演变规律及机理,并对这两种层状材料的力、电学性能及相关机理进行了系统研究。结合正交累积叠轧焊（CARB）与中间退火技术成功制备出了层状结构连续,层厚均匀可控,界面清晰的层状Cu/Ag复合块材。力学及电学性能研究表明,纳米尺度层厚的层状Cu/Ag复合块材能够同时兼具高强度、高热稳定性以及高导电性。力学性能方面,20 nm层厚的层状Cu/Ag复合块材的抗拉强度可达938.1 MPa,并维持有7%的断裂延伸率,但均匀延伸率却不足2%。Cu/Ag相界面强化是其主要强化机制。热稳定性方面,材料表现出了500°C的抗高温软化性,这得益于材料内部具有高密度的热力学稳定的Cu/Ag相界面。当服役温度超过500°C时,材料的宏观力学性能及微观结构均会出现明显的失稳现象,主要的热失稳机制有晶界缺口机制和瑞利不稳定机制,并以瑞利不稳定机制为主导。电学性能方面,冷变形状态,材料的导电率受位错与Cu/Ag相界面的影响,呈现出下降趋势,但仍然高于93%IACS,并在500°C退火后达到100.5%IACS,表现出优异导电性。上述层状Cu/Ag复合块材虽然兼具优异的强度-导电率匹配关系,但仍然存在着严重的强度-塑性相矛盾的倒置关系问题。为改善铜基导体材料中普遍存在的强度-塑性倒置关系问题。结合累积叠轧焊（ARB）与适当热处理工艺,制备了由粗晶粒Cu层和细晶粒Cu-Cr-Zr层交替分布组成的粗/细晶粒异质层状Cu/Cu-Cr-Zr复合块材。力学性能研究表明,经400°C/90 min退火后获得的粗/细晶粒异质层状结构Cu/Cu-Cr-Zr复合材料能够获得最佳强度-塑性匹配,具有高达547 MPa的抗拉强度以及14.5%的均匀延伸率,有效改善了铜基导体材料的强度-塑性矛盾关系。强韧化机理研究发现,材料的力学性能受到异质结构的影响,在软质粗晶粒Cu层中产生了额外的背应力强化,提高了材料的应变硬化能力,从而使材料表现出优异的强度-塑性匹配。材料的热稳定性则完全取决于Cu-Cr-Zr合金层,其高温抗软化温度可达400°C。电学性能研究表明,材料的导电率随热处理温度或时间的增加而增加,在400°C/90 min退火后表现出90%IACS以上的优异导电性,并符合体积混合法则。
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