最近，中南大学龚深教授团队使用湍流冲击均质铸导致功制备了轻质高导热Al/CF复合材料。该工作以“Lightweight high thermal conductivity aluminum/carbon fiber composites as a substitute for copper”为题在材料、工程等范围的国际著名学术期刊《Carbon》发表。
最近，中南大学龚深教授团队使用湍流冲击均质铸导致功制备了轻质高导热Al/CF复合材料。该工作以“Lightweight high thermal conductivity aluminum/carbon fiber composites as a substitute for copper”为题在材料、工程等范围的国际著名学术期刊《Carbon》发表。
论文链接：
10.1016/j.carbon.2026.121846
重点
通过湍流冲击均质铸造工艺成功制备Al/CF复合材料。
在Al与CF之间构建碳化物异质界面可改变界面润湿性并提高界面结合强度。
AMM模型结果表明，碳化物异质界面很大减少了复合材料界面热阻。
Al/CF|3复合材料展示出接近纯铜的高导热率(362 W·m⁻¹·K⁻¹)。
介绍
为了满足先进热管理材料对材料导热性、轻质和便宜的综合需要，本研究使用湍流冲击均质铸造工艺制备了铝/碳纤维复合材料, 可达成界面结构与微观组织均匀性的精确调控。实验结果表明，当碳纤维体积分数为24%时，复合材料拥有最好导热性能362 W·m|1·K|1，较纯Al提高了53%，与纯铜导热率接近。湍流冲击均质铸造过程中产生的湍流传质效应，促进了金属熔体与碳纤维之间界面原位反应的产生，碳纤维与铝基体之间出现了厚度约300|400nm的Al4C3连续界面反应层，同时该界面反应层将碳纤维完整包覆。使用修正后的EMA|AMM模型对复合材料的导热性能进行剖析，结果表明Al/Al4C3/CF异质界面可以有效改变声子在铝基体与碳纤维之间散射紧急的问题，提升了声子适配度，致使界面热阻减少3个数目级，这种碳纤维在铝基体中均匀分散后形成的高效导热互联网及碳纤维与基体间形成的低热阻界面是复合材料导热率提高的重要原因。本研究制备的铝/碳纤维复合材料同时拥有了高导热率、低密度和低本钱等特征，有望替代铜成为新一代先进热管理材料，同时为制备拥有铜级导热性能的轻量化热管理材料提供了一种可规模化应用的界面调控方案。
图文导读
图1 Al/CF复合材料的制备工艺图和润湿机理图
图2 (a)综合性能对比图，(b) Al/CF复合材料导热率和弯曲强度，(c)温升温降曲线，(d|e)红外热成像图
图3 (a) Al/CF|3复合材料的百度竞价推广图，(b) Al/CF|3复合材料孔径大小分布图，(c)三维CT图,(d) 相对密度图
图4 (a)原始CF、萃取CF和复合材料的 X射线衍射图谱，(b)原始CF的拉曼光谱，(c)萃取出CF的拉曼光谱，(d)原始CF与萃取后CF的XPS全谱，(e)原始CF和萃取后CF的C1s详细光谱，(f) Al2p3/2谱
图5 (a)Al/CF复合材料的界面的TEM图，(a|1,a|2)图a的元素分布图，(b)界面处局部放大图，(c)线扫描元素在Al/CF界面的分布曲线，(d)图(a)中d地区的高分辨电子显微镜剖析，(e)图(a)中e地区的高分辨电子显微镜剖析
图6 (a) Al4C3及其邻近界面的明场图像，(b) Al4C3/Al界面结构区的高分辨电子显微图像， (c) Al4C3/CF界面结构区的高分辨电子显微图像, (d|e)图(c)中d地区的电子衍射花样图和反傅立叶变化图
图7 (a) Al/Al4C3异质界面和Al4C3/CF异质界面的HRTEM图像，(b) Al/Al4C3/CF界面热阻模型，(c) Al/Al4C3/CF界面声子传播模型，(d)含有空气层的界面热阻模型，(e) parallel、修正EMA|AMM模型计算结果与实验数据的对比图，(f) Al/CF|3复合材料在不同界面种类下的热导率
总结
本研究借助湍流冲击均质铸导致功制备了高导热铝/碳纤维复合材料，在各级湍流涡旋冲击用途下，高温熔体拥有了高效传质的特质，此时熔体中的Al原子可以与CF表面缺点处的活性C原子相结合，发生充分且均匀的原位反应，且在CF表面生成了连续致密的Al4C3界面层。该工艺不只通过在高温熔体中发生的原位反应付CF进行了表面改性，改变了Al/CF界面润湿性，同时还提升了碳纤维分散的均匀性和保证了CF的结构完整性。值得注意的是，Al/CF|3复合材料表现出优秀的综合性能，导热率高达362 W·m|1·K|1，较纯铝提升了53%，接近纯铜导热率;弯曲强度为86MPa，较纯铝提升23%。Al/CF|3复合材料导热性能优秀是什么原因包含：一方面，均匀连续的碳纤维，形成了高效导热互联网，确保了热流传输的稳定和高效;其次，完整均一的低热阻Al/Al4C3/CF异质界面提升了Al/CF界面之间的亲和性，取代了原来存在的缺点，缓解界面处声子失配和声子散射，显著减少了界面热阻。TEM结果显示，在Al和CF之间存在约300|400nm的Al4C3过渡层，构成Al/Al4C3/CF异质界面。高分辨显示，Al/Al4C3界面和Al4C3/CF界面形成了结实的化学键结合，弱物理结合转变为强的冶金键合。依据Al/Al4C3/CF异质界面结构，打造了AMM界面热阻计算模型，串联热阻计算结果表明，总界面热阻值为0.85×10|8 m2·K W|1。若铝基体和CF没与Al4C3形成紧密的键连接，或者没原位反应生成的Al4C3过度层，反而存在低本征导热、高接触热阻的空气层，则整体的界面热阻将增大103倍，因此，连续完整的Al/Al4C3/CF异质界面可以防止孔隙，缓解声子失配，很大减少界面热阻。最后综合考虑CF的体积分数、尺寸、形状、取向、分布，还考虑了界面热阻和致密度的影响，修正了EMA|AMM模型，计算出的导热率与实验数据匹配性高，为各种复合材料热导率预测提供参考。与其他可用作热管理材料的铝基复合材料和铝合金相比，本研究制备的Al/CF复合材料的TC值拥有很大优势，并且工艺制备简单，本钱大幅降低。TC值接近纯铜，且拥有轻质特征，有望在航空航天、高密度电子集成范围替代铜成为新一代先进热管理材料。
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