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W/Cu复合材料具有高熔点、高溅射阈值和良好的导热等优异特性,在电子加工、航空航天、军工等工业领域得到了广泛的应用,同时也成为核聚变工程中面向等离子体元件的首选材料之一。然而,由于金属W和Cu在相图上互不固溶,以及在熔点和热膨胀系数等物理性能方面差异较大,目前的传统工艺难以实现W和Cu的直接冶金结合。针对上述问题,本文在近熔点温度金属高温结构诱发互不固溶金属扩散的思路的基础上,在不采用中间层的情况下,通过直接扩散连接工艺以及基于W表面纳米活性结构电镀铜的连接工艺实现了互不固溶金属W和Cu的扩散连接复合,形成连续的W/Cu冶金结合界面,实现了真正的冶金结合。本研究采用力学性能测试、电化学测试、结合力测试、DSC等测试方法和SEM、HRTEM、XRD等表征手段,对两种工艺下获得的W/Cu复合件进行了系统性的研究。具体结果如下:(1)通过适当的表面处理,均匀装配加压(加压压力106 MPa)和扩散退火(退火温度980℃,保温时间3 h)的直接扩散连接工艺,成功制备出扩散层厚度约为22 nm、拉伸和弯曲强度分别为172和232 MPa的W/Cu连接件,其经过长时间低温退火仍可以保持较高的连接强度(166 MPa),具有良好的稳定性;(2)采用在含F-电解液中两步阳极氧化法(先在60 V下氧化60 min再降低电压到40 V继续氧化60 min)和H2气氛还原退火处理(退火温度700℃,保温时间3 h),在金属W表面成功制备了形貌规则统一、分布均匀密实、比表面积明显提高和良好的析氢性能的纳米多孔活性金属层。在阴极电流密度1 A/dm2,施镀时间30 min,镀液温度40℃的电镀工艺下获得的W/Cu复合件Cu层光亮平整,经过扩散退火扩散层厚度约为13 nm,具有良好的结合强度;(3)基于Miedema理论和Alonso计算方法建立了 W和Cu冶金结合的热力学模型,结合DSC储藏能测试和计算分析证明了 W和Cu直接合金化在热力学上是可行的。W-Cu体系冶金结合的热力学驱动力来自于体系的初始能量,包括表面能、加工成形中的储藏能和外界压力提供的能量。