超声喷雾热解制备高强高韧超分散碳化聚合物点增强铜基复合材料

金属基复合材料的强度与塑性协同提升一直是材料领域的研究难点，纳米增强相的晶内均匀分布是破解材料强塑制衡难题的有效途径。本文采用超声喷雾热解技术，以粒径约4.3 nm的超细碳化聚合物点（CPDs）为新型外添增强相，成功制备出无团聚、晶内均匀分布的CPDs/铜基复合材料，有效优化了复合材料的界面结构与力学、功能综合性能，为高性能铜基结构功能一体化材料的研发提供了新的技术思路与理论支撑。

界面作为连接基体与增强相的核心结构，是决定复合材料强化效果与综合性能的关键。随着纳米技术发展，纳米增强颗粒的界面体积占比大幅提升，对材料性能的调控作用愈发显著。但目前纳米复合材料制备仍存在两大核心难题：一是纳米颗粒比表面积大、表面能高，极易发生团聚，引发应力集中、应变局部化等问题，难以实现基体中的单分散分布；二是纳米颗粒晶内分布的调控机制尚不明确，相关理论体系不完善，极大限制了复合材料性能的提升。同时，现有研究多聚焦于复合材料制备工艺与宏观力学性能，对界面结构、界面变形行为及位错演化的微观作用机制探究不足。

基于前期粉末冶金制备CPDs/铜复合材料的研究基础，本文优化制备工艺，采用超声喷雾热解技术解决纳米颗粒团聚难题，实现CPDs在铜基体中的均匀分散。实验设置两种改性CPDs增强相，分别为高表面活性原生CPDs和热处理碳化后的低表面活性HT-CPDs，制备出不同界面结构的复合材料体系。其中高表面活性CPDs可与铜基体结合形成非晶界面层，而HT-CPDs复合材料无该过渡界面结构，通过微柱压缩试验，系统对比研究不同界面结构的变形适配机制与位错演化规律。

实验采用一步水热法合成CPDs纳米颗粒，所得颗粒呈准球形、结晶度高，平均粒径仅4.3 nm，表面富含亲水官能团，具备优异的水溶性与荧光特性，为溶液中均匀分散奠定基础。经超声喷雾热解工艺调控后，约80%的CPDs颗粒可稳定分布于铜晶粒内部，研究确定60 nm为CPDs分布模式的临界粒径，突破了细晶粒基体中纳米颗粒难以晶内分布的技术瓶颈。

性能测试结果表明，优化后的CPDs/铜复合材料实现了性能的跨越式提升，抗拉强度可达470 MPa，导热系数达390 W/(m·K)，导电率达93.2%IACS，兼具优异的力学性能与热电传输性能。微观机制分析显示，复合材料的优异性能源于非晶界面层的独特调控作用。非晶界面层具备出色的应变与剪切适配能力，可诱导剪切转变区的形成与扩展，钝化位错塞积引发的应力集中，有效缓解应变局部化问题。同时，该界面结构可显著提升材料加工硬化能力，均匀化复合材料的塑性流动行为，实现强度与塑性的协同改善。

综上，超声喷雾热解技术可有效消除CPDs纳米颗粒团聚问题，实现其在铜基体内的晶内超分散分布。CPDs的尺寸效应与非晶界面层的协同调控作用，是复合材料兼顾高强、高导热、高导电性能的核心关键。本研究明确了纳米颗粒空间分布、界面结构对铜基复合材料性能的调控机制，弥补了纳米复合材料界面变形理论的研究短板，为高性能铜基结构功能一体化复合材料的设计与制备提供了重要参考。

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