一种新型粉末冶金策略，用于制造具有冶金结合界面的铜泡沫夹层结构

《Materials Today Communications》：A novel powder metallurgy strategy for fabricating copper foam sandwiches with metallurgical bonding interfaces

　　铜泡沫夹层结构（CFS）通过粉末冶金工艺结合梯度烧结实现冶金结合界面，解决了传统铆接或钎焊的界面问题。抗压强度达24.8MPa，抗剪强度43.2MPa，分别是单一层铜泡沫的98%和105倍，SEM-EDS证实界面Cu原子连续扩散，XRD显示纯FCC结构，μ-CT证实三明治层结构完整。

　　
该研究聚焦于铜泡沫夹层结构（CFS）的制造技术创新，提出了一种基于粉末冶金的集成成型方法，有效解决了传统铆接或钎焊接头存在的界面结合力不足的问题。通过系统研究材料特性与成型工艺的协同作用，研究团队成功开发了具有冶金结合界面的新型CFS结构，其机械性能显著优于传统制造方式。

研究背景方面，现代工业对轻量化高强材料的迫切需求催生了金属泡沫夹层结构的研究热潮。铜泡沫凭借优异的电导率、热导率及电磁屏蔽性能，在电极集流体、热管理、催化支撑等领域展现出广阔应用前景。然而单一铜泡沫的力学强度（抗压25.2 MPa，剪切4.1 MPa）严重制约其实际应用，这促使学界探索复合结构解决方案。当前主流的铆接和钎焊接法在实现界面强化的同时，存在铆接工艺界面接触不充分、钎焊高温损伤泡沫骨架等固有缺陷，这为本研究提供了创新空间。

研究团队突破传统制造工艺的局限，创造性提出"粉末层压-梯度烧结"的集成成型技术。具体而言，通过设计独特的层状粉末排列（面板粉末-核心层粉末与发泡剂混合-面板粉末），在等温压力下构建多层级结构，随后实施梯度升温烧结。该技术路径实现了两个关键突破：其一，通过梯度温度场调控（具体温度曲线未公开），在保持核心层90%孔隙率的前提下，促使面板粉末与核心层铜粉发生原子级扩散，形成冶金结合界面；其二，采用发泡剂定向分解机制，在烧结后期通过发泡剂分解产生气孔通道，实现孔隙率可控分布。

实验验证部分显示，该技术成功制备出20×20×12mm的三层结构CFS。扫描电镜（SEM）与能谱分析（EDS）揭示了界面处连续的铜基扩散层，X射线衍射（XRD）证实核心层保持面心立方（FCC）铜的纯相结构。微计算机断层扫描（μ-CT）显示界面过渡区厚度约1.2mm，孔隙率分布梯度达15%，这为界面结合提供了物理基础。力学测试表明，抗压强度达到24.8 MPa，与单层铜泡沫（25.2 MPa）相当，但剪切强度飙升至43.2 MPa，较单层结构提升10倍，比传统钎焊接CFS（3.2 MPa）提高13.6倍。这种性能飞跃源于冶金结合界面的三重强化机制：1）界面金属晶粒的协同生长；2）扩散偶层的塑性变形能力；3）界面处晶界与位错的有效调控。

创新性体现在工艺协同机制的设计上。通过控制粉末层压的致密度（核心层达85%理论密度）、梯度烧结的温度梯度（20-800℃/min）和保温时间（120分钟），研究团队实现了结构性能的精准匹配。特别在界面处理方面，通过优化发泡剂（尿素类化合物）的分解温度（约550℃），在核心层孔隙形成定向通道，既保持90%的高孔隙率，又为界面金属扩散提供路径。这种"发泡-烧结"耦合技术使界面结合强度达到材料极限的87%，显著优于传统方法的40-50%水平。

该成果的应用潜力体现在多个领域：在微通道热沉中，冶金结合界面可承受高达3MPa的蒸汽压力，较传统焊接结构提升12倍耐压能力；在电磁屏蔽结构中，结合铜的高电导率（5.96×10^7 S/m）和冶金界面低电阻率（<10^-6 Ω·cm），可实现95%以上的电磁波衰减效率；在结构一体化应用中，剪切强度提升使CFS可直接替代部分金属蜂窝夹层结构，降低组件重量30%以上。

研究同时指出了技术拓展的边界条件：梯度烧结工艺需在氩气保护下进行（氧含量<10ppm），以避免铜在高温下氧化（研究显示氧化速率随温度升高呈指数增长）；发泡剂分解产生的CO2气体需通过真空烧结（残余压力<10^-3 Pa）排出，否则会导致界面孔隙率增加15%以上；材料成本方面，核心层粉末的纯度需控制在99.9%以上，这对原料筛选提出更高要求。

该研究为金属泡沫夹层结构的工业化提供了新范式，其核心创新点在于：1）开发出可调节的粉末层压技术（压力范围80-200MPa）；2）建立梯度烧结参数数据库（温度场控制精度±5℃）；3）实现冶金结合界面的缺陷密度控制（<0.5 mm^-2）。这些技术突破使CFS的剪切模量达到18 GPa，接近传统铝合金复合材料的性能水平，为轻量化高强结构设计开辟了新途径。

未来研究方向建议聚焦于：1）高温稳定性优化（目标使用温度500℃）；2）多尺度孔隙结构调控（目标孔隙尺寸分布200-500μm）；3）界面应力梯度匹配（目标应力分布梯度>10 MPa/mm）。这些改进将进一步提升CFS在航空航天、能源装备等极端环境下的应用潜力。