超声辅助热压烧结铜‑Ti₃AlC₂ 复合材料

为快充汽车打造更聪明的金属

随着电动汽车普及且快充成为常态，那些承载大电流冲击的金属部件——例如充电枪端子——面临极限考验。它们既要强且轻，具有极佳的电导和热导，还要在成千上万次插拔循环中抵抗磨损和电弧。本文研究了一种将铜与一种特殊层状陶瓷结合并利用超声在更低温度下将粉末熔结的新途径，以制造这种“耐用型”金属。

将软性金属与坚硬陶瓷混合

铜以其优异的电导和热导著称，但相对较软，在苛刻工况下容易磨损。工程师常通过加入硬质颗粒来增强铜，制成所谓的铜基复合材料。本工作中，研究团队选择了一种名为 Ti₃AlC₂ 的陶瓷，属于 MAX 相家族。这类材料不寻常：它们在某种程度上表现得像金属——导热导电——同时保有陶瓷的强度、刚性和耐磨性。当适量的 Ti₃AlC₂ 被混入铜中时，所得复合材料在保持高导电性的同时变得更强、更轻且更耐磨，这对于电源连接件和散热部件而言是非常有吸引力的组合。

常规工艺为何难以满足需求

制备致密的铜–Ti₃AlC₂ 零件并不简单。传统热压需要较高温度，但在约 860 °C 以上 Ti₃AlC₂ 开始分解生成其它化合物，并向铜中释放铝。该分解会产生微小孔隙，降低致密度和强度，而且溶入的铝会严重破坏电导——这正是设计者希望保持的性质。如果为保护陶瓷而降低工艺温度，粉末又无法充分熔合，留下削弱材料的孔洞。早期为解决这些问题采取了诸如颗粒包覆、加入额外合金元素或繁复的后处理等手段，但每种补救都会在成本、性能或复杂性上带来新的权衡。

用声波压制：超声辅助热压（UAHP）方法

为摆脱这一困境，研究者构建了超声辅助热压（UAHP）系统。将铜与 Ti₃AlC₂ 粉末混合并预压后，仅加热到 750 °C——比常规工艺低约 100–110 °C——同时在压坯中施加高频振动。这些振动如同微观锤击：帮助铜发生塑性变形并流动包裹陶瓷颗粒，闭合孔隙并促进结合，而无需极高温度。精细的 X 射线与电子显微镜研究表明，在宏观上 Ti₃AlC₂ 保持完整而未分解。在界面处形成一层非常薄的反应层，由略有缺陷的 Ti₃AlC₂、微小的 TiC 颗粒和铜‑钛化合物组成。这种纳米尺度的“焊料”将相体锁合在一起，同时阻止铝渗入铜中，从而保持了高电导性。

更强、更轻且仍具导电性

对不同 Ti₃AlC₂ 含量制备的样品进行了致密度、硬度、强度、电导率和摩擦行为测试。在体积含量约 15% 的范围内，复合材料达到了超过 95% 的理论致密度，并在硬度与弯曲强度上出现明显跃升；屈服强度相比纯铜提高近一半。即便在更高陶瓷含量下，其电导仍远优于那些陶瓷已分解的同类材料。由于 Ti₃AlC₂ 比铜轻，加入至多 30% 陶瓷可将总体密度降低超过五分之一，这有助于减轻充电连接器或电力母线等部件的重量。在与钢球的滑动磨损测试中，层状陶瓷逐步在表面形成一层薄薄的润滑膜，随着其含量增加降低了摩擦系数并显著降低了磨损速率。

对真实器件意味着什么

对非专业读者而言，关键结论是：研究团队找到了一种在铜基复合材料中“两全其美”的方法——通过在热压过程中施加声波，他们能够在更安全、更低的温度下致密化这一难处理的金属‑陶瓷混合物，保持陶瓷稳定并使铜保持高导电性。所得材料更轻、更强、更耐磨，且仍是优异的热电导体——这些特性在快充连接器、大功率开关和紧凑的散热器件中非常受欢迎。除了这一特定的铜–Ti₃AlC₂ 配方外，超声辅助热压方法本身也为制造其他此前难以在不牺牲性能的情况下烧结的先进金属‑陶瓷部件提供了有前景的途径。

引用: Zhou, S., Xiang, H., Fang, C. et al. Ultrasonic-assisted hot-press sintering of Cu-Ti₃AlC₂ composites. npj Adv. Manuf. 3, 7 (2026). https://doi.org/10.1038/s44334-026-00067-y

关键词: 铜基复合材料, 超声烧结, MAX 相陶瓷, 电动车充电, 耐磨导体