Создание исключительно прочных и проводящих медных сплавов, выходящих за рамки традиционных предположений, с помощью межфазной энергии.

Jan 07, 2024

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 17364 (2015) Цитировать эту статью

3208 Доступов

28 цитат

Подробности о метриках

Разработка сплавов на основе меди с высокими механическими свойствами (прочностью, пластичностью) и электропроводностью играет ключевую роль в широком спектре промышленных применений. Однако успешная разработка материалов была редкостью из-за улучшения взаимоисключающих свойств, как это традиционно предполагалось. В этой статье мы показываем, что эти противоречивые свойства материала могут быть улучшены одновременно, если тщательно контролировать межфазную энергию гетерогенных интерфейсов. Мы равномерно диспергировали наночастицы γ-Al2O3 по матрице Cu, а затем контролировали морфологию на атомном уровне границы раздела γ-Al2O3//Cu, добавляя растворенные вещества Ti. Показано, что Ti резко ускоряет фазовое превращение на границе раздела от очень нерегулярной до однородной сферической морфологии, что приводит к существенному улучшению механических свойств матрицы Cu. Кроме того, Ti удаляет примеси (O и Al) из матрицы Cu путем образования оксидов, что приводит к восстановлению электропроводности чистой Cu. Мы проверяем экспериментальные результаты с помощью TEM и EDX в сочетании с расчетами теории функционала плотности (DFT) из первых принципов, которые последовательно подтверждают, что наши материалы подходят для промышленного применения.

Наноразмерные материалы продемонстрировали новые свойства, которые отклоняются от традиционных законов для объемных материалов. Примеры включают красноватое золото1, механически прочные наноструктурированные металлы2, прозрачные магниты3 и сверхпроводники4. Конструкция этих материалов предполагает настройку одной из четырех присущих характеристик: оптических, механических, магнитных и электрических свойств.

Многофункциональные устройства важны для удовлетворения различных потребностей человека и экологической сложности условий эксплуатации. Учитывая, что материалы компонентов любого устройства играют ключевую роль в определении общей эффективности, успешное проектирование многофункциональных систем требует фундаментального понимания происхождения свойств материала и разумной интеграции отдельного материала в практические инженерные приложения, такие как полупроводниковая и автомобильная промышленность. .

Однако создание материалов с многомерной функциональностью строго ограничено общепринятыми законами, особенно когда желаемые свойства оказываются взаимоисключающими. Например, повышение механической прочности медного сплава без ущерба для электропроводности является давним примером проблемы. Традиционно усиление механических свойств металлических сплавов основывалось на сложном манипулировании решеточной структурой исходного материала, которое неизбежно манипулирует или нарушает транспорт электронов в желаемом направлении, снижая электропроводность и часто снижая пластичность5,6,7. Два широко используемых метода8,9,10,11,12,13 используют либо модификацию зеренной структуры, либо добавление посторонних элементов с последующей термообработкой.

В этой статье мы демонстрируем сплавы меди с выдающимися механическими свойствами и электропроводностью, превосходящими обычные ограничения. Наша цель — одновременно улучшить механическую прочность и электропроводность, которые взаимно носят компромиссный характер. На объемной матрице Cu мы разработали гибридные интерфейсные структуры путем равномерного диспергирования Al2O3 посредством процесса внутреннего окисления с использованием подаваемого извне кислорода. Механическая прочность Cu была улучшена за счет механизма дисперсионного упрочнения, обусловленного процессами зарождения и роста наноразмерных оксидных частиц. Мы восстановили электропроводность Cu, которая была ухудшена остаточным O (остается внутри матрицы Cu из-за стехиометрического соотношения между Al и O) путем добавления Ti. Наши результаты показали, что Ti образует различные оксиды, такие как TiO2, TiO и тройные фазы с Al и O, оставляя минимальное количество примесей внутри матрицы Cu.