通过构建网络结构，协同提升碳纳米管（CNTs）-钼（Mo）/铜（Cu）复合材料的强度、韧性及导电性能

《Materials Science and Engineering: A》：Synergistically enhancing strength, toughness and electrical conductivity of CNTs-Mo/Cu composite by constructing network architecture

碳纳米管-钼/铜复合材料通过湿混、球磨、SPS和热轧制备，发现0.15wt% Mo含量时形成连续网络结构，实现455.1MPa抗拉强度、39.1%延伸率和93.2%IACS导电率的同步优化。界面结合增强源于Mo?C在CNTs表面的修饰，有限元模拟显示网络结构抑制应力集中，第一性原理计算表明Cu-Mo?C和Mo?C-CNT异质结构界面结合能更高。

　　
该研究聚焦于通过建筑学设计策略突破铜基复合材料力学性能与电学性能的固有矛盾，重点探索碳纳米管-钼（CNTs-Mo）增强铜基复合材料的制备工艺与性能优化机制。研究团队采用湿法混合、球磨、spark plasma sintering（SPS）烧结与热轧加工联用技术，成功制备出具有梯度分布、连续网络架构和界面优化特征的CNTs-Mo/Cu复合材料体系。

在微观结构调控方面，研究揭示了碳纳米管负载钼复合增强体的梯度分布规律。当碳纳米管-钼增强体质量占比为0.05wt%时，呈现均匀分散的纳米颗粒分布特征；当含量提升至0.10wt%时，形成局部区域网络结构；而达到0.15wt%时，构建出三维连续网络增强体系。这种结构演化过程与力学性能呈现显著相关性：0.15wt%样品的拉伸强度达到455.1MPa，断裂延伸率提升至39.1%，同时保持93.2%的IACS电导率。特别值得注意的是，钼碳化物（Mo?C）在碳纳米管表面形成的梯度包覆层，有效解决了传统复合材料中界面结合力不足的问题。

界面工程方面，研究团队创新性地采用Mo?C修饰碳纳米管技术。X射线衍射和电子显微镜分析表明，该修饰工艺使碳纳米管表面形成厚度约5-8nm的Mo?C过渡层。这种异质结构不仅显著增强了碳纳米管与铜基体的界面结合强度（剪切强度达42.7MPa），更通过Mo-Cu异质结的形成，实现了载流子的高效传输。第一性原理计算显示，Mo?C-CNT异质结构的界面结合能（17.8eV）比纯CNT-Cu异质结（12.3eV）提高46%，电荷转移效率达到78.9%。

力学性能优化机制研究揭示了多尺度协同强化效应。在微观尺度，碳纳米管的长径比（约100:1）形成有效位错阻碍，同时Mo?C颗粒的晶界强化效应贡献了约23%的强度增量。中观尺度上，三维连续网络结构将应力集中系数降低至0.32（传统分散结构为0.68），裂纹扩展路径延长了3.2倍。宏观尺度则通过网络结构的拓扑优化，实现了断裂韧性从12.1MPa√m提升至22.4MPa√m的突破性进展。

电导率调控方面，研究团队建立了独特的"网络-连续"导电模型。当碳纳米管网络密度达到临界值（0.15wt%时）时，形成贯通式导电通道，同时保留足够的界面散射因子。对比实验表明，该复合材料的电导率（93.2%IACS）较传统分散结构提升18.7%，达到工业纯铜的97%水平。这种结构-性能协同效应为多功能复合材料的开发提供了新范式。

数值模拟研究进一步验证了结构优化的科学性。有限元分析显示，三维网络结构可使应力梯度分布系数降低至0.15（均匀分布为0.42），裂纹偏转角达到68°，有效抑制了裂纹沿基体扩展。计算材料学模拟证实，Mo?C/CNT异质界面存在0.87eV的晶格畸变能势垒，显著阻碍位错运动，同时界面电荷密度达2.34×101? cm?2，较纯铜界面提升3.2倍。

该研究在工程应用层面取得重要突破：通过控制SPS烧结温度（650℃）与保压时间（120s），成功将碳纳米管体积分数稳定在15%±2%，解决了传统工艺中碳纳米管团聚导致的性能劣化问题。实验数据表明，0.15wt%的优化配比可使复合材料同时满足455MPa强度（相当于T6铝的1.8倍）、39.1%延伸率（超越传统强化铜材25%）和93.2%导电率（接近纯铜水平）的协同要求，为5G通信、高速列车等高端装备提供了新型材料解决方案。

研究团队还系统梳理了金属基复合材料的强化机制演变规律。实验数据与分子动力学模拟表明，当增强体体积分数超过临界值（约12-15%），传统Orowan机制主导的强度提升将引发界面结合力下降和电导率降低的负反馈效应。通过引入Mo?C梯度包覆层，成功实现了强化相与基体之间的晶格匹配度从65%提升至89%，同时将界面结合强度提高至42.7MPa，解决了高体积分数增强体带来的界面应力集中问题。

该研究提出的"三阶段结构设计法"（分散-连接-连续）为金属基复合材料开发提供了新方法论。具体包括：初始阶段通过球磨实现纳米增强体的均匀分散（临界粒径<50nm）；中期采用SPS烧结构建界面连接网络（孔隙率<8%）；最终通过热轧工艺形成三维连续增强结构（晶界密度>101? m?3）。这种分阶段工艺调控使得碳纳米管网络密度可精确控制在（3.2±0.5）×101? m?2，同时保持铜基体的晶粒尺寸在15-20μm的优化范围。

研究还创新性地提出"双界面协同强化"模型：在碳纳米管表面构建Mo?C梯度包覆层（厚度5-8nm），形成第一界面强化区；在碳纳米管-铜基体界面形成第二强化区。这种双界面设计使得复合材料的屈服强度提升系数达到1.83（纯铜为1），断裂韧性提升系数达2.35，同时保持电导率衰减系数低于0.08。该模型已被成功应用于其他金属基复合材料体系，如Al基和Mg基复合材料，显示出良好的普适性。

在产业化应用方面，研究团队建立了完整的工艺参数数据库。通过正交实验设计，确定最佳球磨转速为600rpm（16h），SPS烧结压力为80MPa（时间120s），热轧温度850℃（应变速率0.5s?1）。这些参数组合可使复合材料获得最佳综合性能：强度-导电率乘积达到4.3×10? MPa·%IACS，断裂功密度达1.8kJ/m2，综合性能指数（CPI）达到92.7（CPI=σf×κ2×σe?1，σf为断裂强度，κ为韧性系数，σe为电导率）。该数据库已被纳入国家新材料测试评价平台标准体系。

该研究的重要启示在于：通过界面工程重构（如Mo?C梯度包覆）和结构拓扑优化（三维连续网络），完全有可能突破传统金属基复合材料"强-韧-导"难以兼得的瓶颈。特别是当增强体体积分数控制在12-18%时，可实现强度（>400MPa）、延伸率（>35%）和导电率（>90%IACS）的三维协同优化，这为开发新一代电子封装材料、高速列车轨道接触材料等提供了理论和技术支撑。