炭/铜合金体系的界面形成和润湿机制

The wettability of carbon/copper alloys system is a critical factor in preparation of carbon-copper composite material. It has significant importance on the joining of carbon materials with copper alloy. The present project attempts to clarify the wetting mechanism and interface structure between Cu-Ti alloy and carbon substrate. Preliminary research shows that molten Cu-Ti alloys wet the carbon substrate, and a new Cu-rich layer at the TiC/C interface has been found, which can not be explained by the traditional “Reaction Product Control” mechanism. Based on the microscopic results, we proposed a different scheme that wetting is caused by solubility of carbon in molten copper alloy, not by reaction. The goal of this program is to develop a “Dissolved - reaction Control” wetting mechanism which is suggested that the wetting is driven by the diffusion of carbon in alloy.The interface wetting mainly originate from a dynamic effect due to the diffusion of the carbon atoms in molten copper alloy. We attempt to explain the interface generation process under the Principle of Minimum Energy Consumption and establish a correlation between wettability and the interface structure. The present project focuses on clarifying the wetting mechanism using molecular dynamics simulation and microscopic observation. This research has great theoretical and practical significance for composite material design and provides guidance to engineering application.

炭、铜合金的润湿性是决定炭铜复合材料制备工艺成败和性能优劣的关键，而且对炭材料与传统铜合金的连接也有重要影响。本项目以炭－铜合金体系为研究对象，讨论铜合金在炭基体上的润湿机制和界面形成过程。先期研究表明铜钛合金可润湿炭基体，并首次在碳化物反应层和炭基体之间发现了“富铜层”，这一现象难以用经典的界面反应产物驱动润湿机制来解释。本项目提出“溶解－反应驱动润湿”这一新机制,认为碳原子在铜合金中的溶解扩散是界面润湿的主要驱动力，拟从能量消耗角度解释这一机制，通过耗能最少原则来判定界面生成途径。通过实验研究建立起润湿性与界面组织结构的相关性；采用分子动力学方法模拟基体材料的扩散进而预测不同炭－铜合金体系的界面结构和润湿性，并进行实验验证；揭示合金中活性元素改善润湿性的作用机制和规律，为炭铜复合材料或炭－铜连接工艺条件制定提供指导和参考，具有重要的理论意义和工程应用价值。

本项目研究了Cu-Cr、Cu-Ti、Cu-V、Cu-Zr合金和石墨体系的高温润湿机制。利用EDS和XRD检测Cu-Cr、Cu-Ti、Cu-V、Cu-Zr在石墨板上润湿过程中形成界面的成分。研究发现Cu-Cr、Cu-V合金在石墨板上润湿过程中，C/Cu的界面层结构均为C/碳化物/Cu，而且长时间保温后润湿角没有明显变化，说明润湿过程是先在C/Cu界面上原位生成了Cr7C3 和V4C2.67，然后熔融的Cu液在碳化物上铺展润湿，因此长时间保温对润湿角没有显著影响。由此确定添加Cr和V的Cu合金与C的润湿机制是界面反应产物润湿机制。.Cu-Ti和Cu-Zr在石墨板上润湿过程中，C/Cu的界面层在生成碳化物的同时生成了“富铜层”，界面层结构均为C/“富铜层”/碳化物/Cu，而且随着保温时间的延长，润湿角均显著降低。而且有文献表明Cu与TiC润湿角为90°以上，说明Cu-Ti和Cu-Zr与石墨体系的润湿机制无法用传统的“界面反应产物决定润湿理论”解释。根据热力学计算和文献分析，发现Cu-Ti与石墨体系界面反应中首先生成了有Cu和Ti组成的金属化合物，C首先溶解于Cu-Ti共熔合金中，扩散了一段距离后以TiC形式从合金液体中析出，而非原位转化成TiC，周边富余的熔融态Cu冷却后形成了“富铜层”，因而形成了C/“富铜层”/TiC/Cu的界面结构。根据以上分析，提出一种新的润湿机制理论—“溶解—反应驱动润湿”，即润湿性与固态界面的溶解有关而与反应产物的性质无关。Cu-Zr与石墨体系的润湿也可以用“溶解—反应驱动润湿”机制进行解释。在润湿实验的基础上，采用无压浸渗方法将熔融的Cu-Zr合金渗入到多孔的碳纤维织物内，制备得到了碳纤维整体织物增强铜基复合材料。