Al/Cu复层材料界面扩散行为及微观组织演变机制研究

As an advanced basic materials, Al/Cu bimetal has good designability and comprehensive performance due to the “complementary effect”, which has been widely applied in many industries fields, such as new energy, power communication, electrics and electronics fields. The mechanism of interface forming in microscale is the key theoretical foundation for preparing an excellent bimetal. In this respect, the project take advantages of in situ synchrotron radiation imaging technique and static diffusion couple technique to study the interfacial diffusion reaction or dissolution, the non-equilibrium solidification of interfacial melt and the formation sequence and growth thermokinetics of IMCs, etc. Based on the above work, the interfacial diffusion behavior and microstructural evolution mechanism are systemically investigated during the liquid-solid reaction, semisolid-solid reaction and solid-state reaction of Al/Cu bimetal. Then, the mechanism of interface forming is revealed, and effective strategies are proposed to control the interface structure. This project would provide a theoretical guidance for improving the existing preparation methods of bimetal or developing a new ones, and finally fabricate the high quality and economical Al/Cu bimetal.

Al/Cu复层材料在性能上存在“相补效应”，具有良好的可设计性和综合性能，其作为“先进基础材料”在电工电子、新能源、电力通信等领域获得广泛应用。其中，界面形成机理是制备优质复层材料至为关键的理论基础。鉴于此，本项目针对Al/Cu复层材料制备过程中界面结合与控制问题，拟采用同步辐射成像技术和扩散偶技术，基于动态和静态研究相结合，通过界面扩散-溶解-反应、界面熔体非平衡凝固、金属间化合物形成种类、生成次序及生长热-动力学等核心科学问题，来系统研究Al/Cu“液态-固态反应”、“半固态-固态反应”和“固态-固态反应”过程中界面扩散行为及微观组织演变规律，进而揭示Al/Cu复层界面微观结构的形成机理，并提出调控界面结构的有效策略，为完善现有的和发展新型的Al/Cu复层材料制备技术提供理论指导，最终制备出优质经济的复层材料。

界面作为Al/Cu复层材料中非常重要的微观结构，其不仅起到连接两侧金属的作用，同时也是传递各种载荷的媒介。因此，界面微观结构的形成对Al/Cu复层材料的界面控制和性能起着关键作用。在本项目“Al/Cu复层材料界面扩散行为及微观组织演变机制研究（51904241）”的资助下，针对Al/Cu复层材料制备过程中界面结合与控制问题，利用同步辐射动态成像技术和传统静态扩散偶技术，研究了Al/Cu复层固态反应、液态反应和半固态反应过程中界面金属间化合物生长机制、界面扩散溶解反应动力学以及界面熔体非平衡凝固组织演变规律。研究结果显示，Al/Cu复层固态反应在界面处生成4种连续层状金属间化合物，其厚度均随着扩散时间的延长或扩散温度的升高而增加。金属间化合物的生长均符合抛物线规律，主要受体扩散控制，其生成先后顺序依次为Al2Cu、Al4Cu9、AlCu和Al2Cu3相。Al/Cu复层液态反应和半固态反应过程中平直的元素扩散前沿发生失稳，主要是由于液相元素浓度分布不均匀产生由密度驱动的Rayleigh对流和界面张力梯度驱动的Marangoni对流引起。Al/Cu复层界面熔体非平衡凝固组织主要是通过改变样品扩散溶解形成的液相区域大小以及元素浓度分布来调控。主要由初生α-Al枝晶、共晶组织（α-Al+Al2Cu）、针状初生Al2Cu相或花瓣状初生Al3Cu4相、包晶AlCu相和多种金属间化合物层构成。上述复层界面微观结构调控研究可为完善现有的和发展新型的Al/Cu复层材料制备技术提供数据支撑和理论指导。依托本项目，在国内外学术期刊发表论文9篇（含已接收待发表论文1篇），其中SCI影响因子大于2的7篇（含Top刊物2篇）；申请发明专利1项；参加5次相关学术会议；协助培养4名研究生取得硕士学位。