伴隨著機械、電子、航天領域的快速發展，純Cu及其合金因其本身的低強度已不能滿足日益嚴格的要求。通過向純Cu中添加硬質第二相製備的Cu基複合材料，在具有純Cu本身優異的導電、導熱能力的同時，還具有較高的強度、優異的耐磨性能，是軌道交通接觸線、高壓開關等領域的熱點研究材料。到目前，顆粒增強Cu基複合材料中常見的增強材料主要有Al2O3、MgO、TiB2、SiC等陶瓷材料，但陶瓷材料因其本身的特性，與Cu基體之間存在熱膨脹係數差異大、濕潤性差以及自身易團聚等問題，導致二者之間的界面結合強度較低，容易存在孔隙等缺陷，使其應用得到了限制。為此有學者嘗試將具有金屬結構的非晶材料作為增強體引入Cu基體中，但其本身塑性較差、結晶溫度低導致了複合材料的力學性能不理想。
高熵合金是指包含5種及5種以上的主要元素，且各元素摩爾含量在5%~35%之間，具有簡單固溶體結構的一類金屬材料。高熵合金獨具的高熵效應、晶格畸變效應、遲緩擴散效應以及「雞尾酒效應」，使其具有高強度、高硬度、耐磨損和高的熱穩定性等優異的性能。LAPLANCHE G等研究發現，高熵合金的熱膨脹係數隨溫度的變化與金屬的熱膨脹係數變化相似，可見具有優異性能的高熵合金是一種有潛力的增強相材料，有望克服傳統增強相材料帶來的一些不足。
有部分學者研究了高熵合金顆粒增強鋁基複合材料，劉是文等通過放電等離子燒結技術製備了Al35Ti15Cr20Mn20Cu10/6061Al複合材料，結果表明，在540℃下製備的複合材料中出現了過渡層，並使得複合材料的屈服強度較基體提高了約75%。LIU Y等研究了過渡層對CoCrFeNi/Al複合材料性能的影響，研究發現，與無過渡層的HEA/Al複合材料相比，有過渡層的HEA/Al複合材料的抗壓強度顯著提高了約2.6倍。過渡層的出現因為Al與高熵合金元素之間的混合焓較負，他們之間具有較強的親和性，在達到一定的激活溫度下，高熵合金顆粒邊緣的元素向著鋁基體中擴散，進而形成了過渡層。CHEN J等通過機械合金化與粉末冶金技術製備了AlCoCrFeNi/Cu複合材料，研究發現，HEA與Cu之間沒有發生界面反應，並且發現HEA具有比金屬玻璃更好的增強效果。LIU Y等通過對AlCoCrFeNi/Cu複合材料進行熱擠壓處理後發現，在850℃下適當的預熱可以促使HEA與Cu之間發生元素擴散，使得二者的界面間出現了擴散層，提升了複合材料的力學性能。但目前對於高熵合金增強Cu基複合材料中的結合界面研究相對較少，並且不同相結構的高熵合金與Cu基體之間的結合界面也可能各不相同。
大連理工大學曹志強教授在2023年第卷第期《特種鑄造及有色合金》期刊上發表了「燒結溫度對(AlCoCrFeNi2.1)p/Cu複合材料組織和性能的影響」一文。文章通過放電等離子燒結技術製備了高熵合金增強Cu基複合材料，研究了燒結溫度對複合材料的組織結構與性能的影響。結果表明，高熵合金顆粒在Cu基體中分散相對均勻，與Cu基體之間結合良好，隨著溫度的升高，結合方式由機械結合為主逐漸轉變為擴散結合為主，Cu沿著BCC相擴散進入高熵合金；複合材料的緻密度隨著溫度的升高呈現先增加後降低的趨勢；800℃下製備的複合材料硬度（HBW）最高為60.43，緻密度為98.4%，電導率為39.09 MS/m。
【引用格式】
趙延周,李小聰,高利,等.燒結溫度對(AlCoCrFeNi2.1)p/Cu複合材料組織和性能的影響[J].特種鑄造及有色合金,2022,42(12):1 511-1 517.
ZHAO Y Z,LI X C,GAO L,et al.Effect of sintering temperature on microstructure and properties of (AlCoCrFeNi2.1)p/Cu composites[J].Special Casting & Nonferrous Alloys, 2022,42(12):1 511-1 517.
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【研究方法】
選用真空氣霧化法製備的純度為99.9%的AlCoCrFeNi2.1高熵合金粉末作為Cu基複合材料的增強體，中位粒徑為70 μm，選用的純Cu粉末的平均粒徑為38 μm（純度為99.9%），化學成分見表1。將高熵合金粉末與Cu粉按照質量比1: 9進行稱量配粉，之後通過YXQM行星球磨機進行低能球磨混合均勻，其中球磨罐與磨球均為，轉速175 r/min，球料比5:1，球磨時間為12 h。
將混合均勻的複合粉末裝入內徑20 mm的高強度石墨型中，並且在粉末與模具之間鋪設一層碳紙，用壓片機預壓後，放置於放電等離子燒結爐（SPS-3T-3-MIN）的燒結腔體中進行燒結。燒結工藝見圖1，在燒結過程中，通過紅外測溫儀進行溫度的監測，燒結溫度分別為700、750、800、850和900 ℃。得到的Cu基複合材料尺寸為φ20 mm×15 mm。
將試樣表面的碳紙打磨乾淨，進行拋光處理後，通過阿基米德排水法測試複合材料的實際密度；採用Empyrean型X射線衍射儀（XRD）測試粉末以及燒結試樣的物相；用MH-51型維氏硬度計測試燒結試樣硬度，施加力為100 N，加壓時間為 15 s；通過THBS-3000E型布氏硬度計對燒結樣品進行布氏硬度測試，所用壓頭為10mm的硬質合金球，試驗力250N，加載時間30s；用JXA-8530F PLUS型場發射電子探針（EPMA）觀察複合材料的微觀形貌；通過手持電導率測試儀（Fischer SMP-35型）測試複合材料的電導率，每個試樣測試5次取平均值。
圖1 AlCoCrFeNi2.1/Cu複合材料的燒結工藝曲線
【研究結果】
通過放電等離子體燒結技術製備AlCoCrFeNi2.1/Cu複合材料，高熵合金顆粒在Cu基體中分散相對均勻，並與Cu基體之間結合良好，基體與高熵合金顆粒之間結合方式由機械結合為主逐漸轉變為擴散結合為主。
隨著燒結溫度的提高，使得Cu與高熵合金之間的元素擴散加快。在高熵合金與Cu的界面處形成了「互鎖區域」，該區域的形成主要與Cu沿著BCC相向高熵合金中擴散以及Al、Ni元素向基體中擴散有關，「互鎖區域」主要由富CoCrFe的FCC相與富Cu相組成。
複合材料的緻密度隨著溫度的升高呈現先增加後降低的趨勢，高熵合金增強顆粒因其BCC相元素的擴散，其硬度值有一定程度的下降，同時高熵合金與Cu基體之間的元素擴散使得複合材料的電導率下降。800℃下製備的複合材料布氏硬度（HBW）最高為60.43，緻密度為98.4%，電導率為39.09 MS/m，是一類高強高導的Cu基複合材料。中，且Cu粉的粒徑較小，在燒結過程中具有更好的填充性，有利於與高熵合金粉體更好的結合以及提高燒結材料的緻密度。
圖2 AlCoCrFeNi2.1粉末與Cu粉的SEM形貌
圖3 AlCoCrFeNi2.1粉末與Cu粉的XRD結果
圖4不同燒結溫度下AlCoCrFeNi2.1/Cu複合材料的XRD圖譜
圖 5 不同燒結溫度的 AlCoCrFeNi2.1/Cu 複合材料的SEM形貌
圖 6 經 750℃燒結的AlCoCrFeNi2.1/Cu複合材料的EPMA-面掃描結果
圖 7 經 850℃燒結的AlCoCrFeNi2.1/Cu複合材料的EPMA-面掃描結果
圖 8 經850℃燒結的AlCoCrFeNi2.1/Cu複合材料的能譜分布
圖 9 不同燒結溫度下製備的AlCoCrFeNi2.1/Cu複合材料的密度與緻密度
圖10 900℃ 燒結的AlCoCrFeNi2.1/Cu複合材料的SEM圖
圖11 不同燒結溫度下製備的AlCoCrFeNi2.1/Cu複合材料中基體與高熵顆粒的顯微硬度
圖12 不同燒結溫度下製備的AlCoCrFeNi2.1/Cu複合材料的布氏硬度
圖 13 不同燒結溫度製備的AlCoCrFeNi2.1/Cu複合材料的電導率
綜上所述，800℃下製備的複合材料布氏硬度（HBW）最高為60.43，緻密度為98.4%，電導率為39.09 MS/m ，是一種新型高強高導Cu基複合材料。