近日，中國工程院院士、北京工業(yè)大學教授聶祚仁帶領宋曉艷教授研究團隊在中國工程院院刊《Engineering》發(fā)表了題為”Synergistic Enhancement of Mechanical Properties and Electrical Conductivity of Immiscible Bimetal: A Case Study on W–Cu”的研究文章，介紹了一種具有獨特的空間連通銅相和鎢島構型的超細晶不互溶雙金屬復合材料的設計研制方法，該復合材料僅由兩種不互溶金屬構成，在無其他任何添加元素的情況下，在力學性能和導電性方面表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。本研究為實現(xiàn)不互溶金屬復合材料的多目標性能協(xié)同強化提供了創(chuàng)新途徑。研究生段起祥為*作者，侯超為共同通訊作者。

不互溶金屬復合材料由于組元本征性能差異巨大，常具有結構–功能一體化的潛在開發(fā)優(yōu)勢。鎢–銅復合材料是不互溶金屬復合材料的典型代表，其中鎢具有高硬度、低熱膨脹系數(shù)、耐燒蝕特性，銅具有高的導電和導熱特性，鎢–銅復合材料在電子封裝、熱管理、高壓電接觸材料以及焊接電極等領域具有重要應用。如何顯著提升不互溶金屬復合材料的綜合性能，實現(xiàn)高性能結構–功能一體化是目前開發(fā)先進不互溶金屬復合材料所面臨的重大挑戰(zhàn)。

面向上述問題，北京工業(yè)大學研究團隊開發(fā)出一種具有空間連通銅相和鎢島構型的超細晶雙金屬復合材料，在力學性能和導電性方面表現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。采用基于材料真實微觀組織結構的有限元模擬方法，定量研究了具有不同微觀尺寸和結構特征的雙金屬復合材料的應力分布、應變響應和斷裂行為，揭示了這種特殊結構雙金屬復合材料獲得優(yōu)異綜合性能的機理。

研究表明，鎢晶粒在鎢島內(nèi)的高度連通鄰接性對不互溶兩相的應力分布具有顯著影響。在相同載荷下，鎢晶粒的局域高連通性有利于抑制應力的長程擴展，避免銅相中應力快速增加及應力集中的發(fā)生，使鎢相可分擔更大的載荷，從而使雙金屬復合材料表現(xiàn)出更高的屈服強度。因此，所開發(fā)的雙金屬復合材料的高屈服強度源于組織結構細化和鎢島構型中晶粒的高鄰接性。另一方面，這種特殊構型還有利于兩相金屬的協(xié)調(diào)塑性變形，避免鎢/銅相界處的過早失效，從而提升復合材料整體的塑性變形能力。此外，鎢島構型所帶來的銅相平均自由程增加以及相界比例降低，使復合材料具有優(yōu)異的導電性。

該研究不添加任何其他元素，僅通過調(diào)控顯微結構尺寸和組元空間分布，使不互溶雙金屬復合材料在力學性能和物理特性方面獲得了優(yōu)異的綜合性能，為實現(xiàn)不互溶金屬復合材料的多目標性能協(xié)同提升提供了新的途徑。未來如何快速、準確預測多層次結構尺寸、空間構型與多目標性能之間的關聯(lián)，并開發(fā)可控制備技術，從而根據(jù)服役要求按需定制雙金屬復合材料值得更加深入的研究。