近期，中南大学龚深教授团队采用湍流冲击均质铸造成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、工程等领域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善界面润湿性并提升界面结合强度。

• AMM模型结果表明，碳化物异质界面极大降低了复合材料界面热阻。

• Al/CF-3复合材料展现出接近纯铜的高导热率(362 W·m⁻¹·K⁻¹)。

简介：

为了满足先进热管理材料对材料导热性、轻质和廉价的综合要求，本研究采用湍流冲击均质铸造工艺制备了铝/碳纤维复合材料, 可实现界面结构与微观组织均匀性的精准调控。实验结果表明，当碳纤维体积分数为24%时，复合材料具备最佳导热性能362 W·m^-1·K^-1，较纯Al提升了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。采用修正后的EMA-AMM模型对复合材料的导热性能进行分析，结果表明Al/Al₄C₃/CF异质界面能够有效改善声子在铝基体与碳纤维之间散射严重的问题，提高了声子适配度，使得界面热阻降低3个数量级，这种碳纤维在铝基体中均匀分散后形成的高效导热网络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升的主要原因。本研究制备的铝/碳纤维复合材料同时具备了高导热率、低密度和低成本等特点，有望替代铜成为新一代先进热管理材料，同时为制备具备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策略。

结论：

本研究利用湍流冲击均质铸造成功制备了高导热铝/碳纤维复合材料，在各级湍流涡旋冲击作用下，高温熔体具备了高效传质的特性，此时熔体中的Al原子可以与CF表面缺陷处的活性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。该工艺不仅通过在高温熔体中发生的原位反应对CF进行了表面改性，改善了Al/CF界面润湿性，同时还提高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复合材料表现出优异的综合性能，导热率高达362 W·m^-1·K^-1，较纯铝提高了53%，接近纯铜导热率；弯曲强度为86MPa，较纯铝提高23%。

Al/CF-3复合材料导热性能优异的原因包括：一方面，均匀连续的碳纤维，形成了高效导热网络，确保了热流传输的稳定和高效；另一方面，完整均一的低热阻Al/Al₄C₃/CF异质界面提高了Al/CF界面之间的亲和性，取代了原来存在的缺陷，缓解界面处声子失配和声子散射，显著降低了界面热阻。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界面形成了牢固的化学键结合，弱物理结合转变为强的冶金键合。根据Al/Al₄C₃/CF异质界面结构，建立了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没有与Al₄C₃形成紧密的键连接，或者没有原位反应生成的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异质界面能够避免孔隙，缓解声子失配，极大降低界面热阻。

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值具备极大优势，并且工艺制备简单，成本大幅下降。TC值接近纯铜，且具备轻质特点，有望在航空航天、高密度电子集成领域替代铜成为新一代先进热管理材料。