(武汉理工大学，材料复合新技术国家重点实验室，武汉 430070)

0 引 言

Al-Cu合金具有高温力学性能优异、稳定性好，以及生产原料来源充足、制造成本低廉、易大规模工业生产等优点，因此是世界上应用最为广泛的合金材料之一[1-5]。石墨[6]、碳纳米管[7]、金刚石[8]等碳材料是一种常用的增强体材料；在Al-Cu合金中引入碳增强材料制备的C/Al-Cu复合材料具有优良的力学和热物理性能，广泛应用于汽车、航空等领域[9-12]。TAN等[13]通过混合铝粉、金刚石粉并应用真空热压烧结技术制备了金刚石/铝复合材料，该复合材料中存在微米尺度的扩散连接界面，使得热导率得到了很大程度的提高；LIU等[14]采用挤压铸造技术制备了碳纤维增强Al-Cu复合材料，碳纤维表面的碳原子担当了Al2Cu增强相的成核位点，Al2Cu增强相倾向于在碳纤维和Al-Cu基体相之间的界面生成；GUO等[15]采用机械球磨工艺制备了SiC-碳纳米管/铝复合材料，铝和碳纳米管反应生成的Al4C3提高了界面亲和力和表面剪切应力，从而提高了复合材料的强度。然而，金刚石、碳纤维、碳纳米管等碳材料与Al-Cu合金的润湿性较差[16]，界面结合性能较差，因此采用直接添加碳材料的方法制备的复合材料性能较差，应用领域受限[17]。SHEN等[18]以有机物为碳源在钨金属中引入了碳并在钨颗粒表面原位生成W2C相，解决了界面结合问题，提高了材料强度。基于上述研究思路，作者以聚乙烯醇缩丁醛(PVB)为碳源，采用原位热解-热压法制备碳材料增强Al-40%Cu(体积分数)合金(C/Al-40%Cu)复合材料，研究了该复合材料的微观结构，分析了铝/碳、铜/碳、铝/铜等界面反应情况。

1 试样制备与试验方法

试验原料包括：球形铝粉，粒径约10 μm，纯度99.9%，河南远洋铝业有限公司提供；球形铜粉，粒径约10 μm，纯度99.9%，阿法埃莎(天津)化学有限公司提供；PVB和无水乙醇，均为分析纯，由国药集团提供。铝粉和铜粉的微观形貌见图1。

图1 铜粉和铝粉的微观形貌Fig.1 Micromorphology of copper (a) and aluminum (b) powder

按照质量分数分别为54.10%，2.71%，43.19%称取金属粉、PVB和无水乙醇，金属粉中铝粉和铜粉的质量比为9∶20，在QM-QX0.4型行星球磨机上进行球磨混合，球磨转速为25 r·min-1，球磨时间为8 h。将球磨混合均匀的料浆置于GF16Q型箱式热解炉中，以5 K·min-1的速率升温至450 ℃，保温1 h进行热解反应，得到复合粉体。将复合粉体置于碳化钨模具中，在HP-2200-50T型真空热压炉中进行热压烧结，升温速率为10 K·min-1，热压温度为550 ℃，压力为300 MPa，保温保压时间为2 h，随炉冷却，得到C/Al-40%Cu复合材料。不添加PVB，在相同条件下制备得到Al-40%Cu合金材料。

采用Rigaku Utima II型X射线衍射仪(XRD)和VG Multilab 2000型X射线光电子能谱仪(XPS)进行表面物相分析。XRD测试时采用铜靶，Kα1射线，管电压为40 kV，管电流为40 mA，扫描速率为4(°)·min-1，扫描范围为10°～100°；XPS测试时采用铝靶，Kα(1 486.6 eV)射线，全谱扫描靶功率为300 W，窄区扫描通过能为25 eV，荷电校正以污染C1s(284.6 eV)为标准。应用阿基米德排水法测定密度。

利用FEI S-4800型场发射扫描电子显微镜(SEM)和JEM2100型透射电子显微镜(TEM)观察复合材料的微观形貌，结合附带的能谱仪(EDS)进行微区物相判定和界面成分分析。

2 试验结果与讨论

图2 C/Al-40%Cu复合材料和Al-40%Cu合金的XRD谱Fig.2 XRD patterns of C/Al-40%Cu composite and Al-40%Cu alloy

2.1 物相组成

由图2可以看出：C/Al-40%Cu复合材料中主要出现了铝和铜的衍射峰，而Al-40%Cu合金中除了出现铝和铜的衍射峰外，还出现了Al2Cu和Al4Cu9金属间化合物的衍射峰。对比可知热解PVB原位生成的碳材料抑制了金属间化合物的生成。与标准谱对比可知，无论是复合材料，还是Al-40%Cu合金，铝和铜的衍射峰位均未发生明显的偏移，说明两种材料中均没有形成明显的固溶体相。采用Vario EL cube型CHNS元素分析仪测定得到复合材料中的碳质量分数为0.8%，该碳含量极低，因此在XRD谱中未能观察到碳的衍射峰。

由图3可以看出：Al2p谱中包含2个分峰，分别位于结合能72.1 eV和74.6 eV处，分别对应于Al-Al键和Al-O键，Al-O键是由于铝表面氧化形成的；Al2p谱中没有发现Al-Cu键和Al-C键的峰，说明复合材料中没有生成金属间化合物。C1s谱中包含3个分峰，分别位于结合能284.6 eV，286.2～286.5 eV和288.3～288.8 eV处，分别对应于C-C键、C=O键和C-O键。其中，C-C键来自原位生成的碳材料，C=O键和C-O键则来自残留的高分子材料。O1s谱中主要包含3个分峰，分别对应于O-H键(533.34 eV)、C=O键(531.77 eV)和C-O键(530.11 eV)。Cu2p谱中仅存在单质铜的峰，说明铜在热解和热压过程中未发生反应。综上可知，C/Al-40%Cu复合材料中存在原位生成的碳材料和少量残留的高分子材料，不存在铝铜金属间化合物。

图3 C/Al-40%Cu复合材料的XPS谱Fig.3 XPS patterns of C/Al-40%Cu composite: (a) Al2p spectrum; (b) C1s spectrum; (c) O1s spectrum and (d) Cu2p spectrum

2.2 密 度

由表1可以看出，C/Al-40%Cu复合材料和Al-40%Cu合金的实测密度均接近于理论密度，且复合材料的密度略低于Al-40%Cu合金的。此外，两种材料的实测孔隙率均在0.95%以下。由此可见，在试验条件下可制备得到致密的C/Al-40%Cu复合材料。

表1 C/Al-40%Cu复合材料和Al-40%Cu合金的密度Table 1 Density of C/Al-40%Cu composite and Al-40%Cu alloy g·cm-3

2.3 微观结构及微区成分

由图4可以看出：C/Al-40%Cu复合材料和Al-40%Cu合金均主要由铝相(深色)和铜相(浅色)组成。复合材料中的铜相和铝相之间存在黑色区域，EDS分析结果显示该黑色区域为碳材料；铜相、铝相和碳材料之间结合良好，无明显的孔洞存在。合金中的铜相和铝相之间存在灰色区域，EDS分析结果显示该区域中的铝、铜原子分数分别为49.38%，25.66%，由此推测该区域形成了Al2Cu金属间化合物。

由图5可以看出：在线①处，铜/铝相颗粒界面处的铝与铜含量呈线性变化，未出现台阶状变化，说明界面处没有生成金属间化合物，仅发生了原子互扩散，扩散层厚度为2.0～3.5 μm；在线②处，铝相颗粒之间形成了碳材料层，且铝与碳之间发生了互扩散，扩散层厚度为1.0～1.5 μm；在线③处，铜相颗粒之间同样存在碳材料层，二者界面处的铜元素未发生明显扩散，铜/碳之间几乎不存在扩散层，主要靠一种机械结合的方式连接。

图4 C/Al-40%Cu复合材料和Al-40%Cu合金的SEM形貌Fig.4 SEM micrographs of C/Al-40%Cu composite (a-c) and Al-40% alloy (d-e): (a, d) at low magnification; (b) at relatively high magnification and (c, e) at high magnification

图5 C/Al-40%Cu复合材料中不同位置(见图4)的EDS线扫描结果Fig.5 EDS line scanning results at different spots (shown in Fig.4) of C/Al-40%Cu composite: (a) line ①; (b) line ② and (c) line ③

图6 C/Al-40%Cu复合材料的TEM形貌及铝、铜电子衍射花样Fig.6 TEM micrograph of C/Al-40%Cu composite (a-b) and electron diffraction patterns of aluminum (c) and copper (d):(a) at low magnification and (b) at high magnification

由图6可以看出：C/Al-40%Cu复合材料中的铝/铜界面清晰，没有析出相存在，原位生成的碳材料层连续分布于铝、铜相之间。综上可知，原位生成的碳材料能有效抑制铝铜金属间化合物的生成。

3 结 论

(1) 以PVB为碳源，采用原位热解-热压法制备得到碳质量分数为0.8%的C/Al-40%Cu复合材料；该复合材料主要由铝相、铜相、原位生成的碳材料以及少量残留的高分子材料组成，没有出现Al-40%Cu合金中存在的Al2Cu和Al4Cu9等金属间化合物，说明原位生成的碳材料能抑制金属间化合物的生成；复合材料的实测密度接近于理论密度，组织中未见明显孔洞，致密性能较好。

(2) 复合材料中各组成相界面结合良好，原位生成的碳材料层连续存在于铝、铜相颗粒之间；铝相和碳材料层之间发生元素互扩散，形成了厚度为1.0～1.5 μm的扩散层；铜相和碳材料层之间几乎不存在扩散层，二者主要以机械结合方式连接；铝相和铜相之间发生元素互扩散，形成了厚度为2.0～3.5 μm的扩散层。