什么是钨铜梯度材料？
一、钨铜梯度材料（WCu FGM）是什么？
钨铜梯度材料（WCu Functionally Graded Material, FGM）是一类沿厚度方向、中间层或特定结构位置由钨逐渐过渡到铜的复合材料。它通过连续变化的组分比例或多层间断渐变的方式，使材料在不同位置具有不同的性能，从而有效缓解钨与铜之间的热膨胀不匹配问题、降低界面应力、提高导热效率与结构可靠性。简言之，它不是“简单把钨和铜合在一起”，而是按照功能需求设计不同区域有不同的钨/铜比例，使材料性能随位置逐渐变化，从而实现最佳热、力、流、辐照性能。
二、为什么需要钨铜梯度材料？
钨（W）和铜（Cu）的差别非常大，以下是他们之间的一些主要差异：
| 性质 | 钨 | 铜 |
| 熔点 | 3420 °C | 1083 °C |
| 热膨胀系数 CTE | 4.3 ×10⁻⁶ /K | 16.5 ×10⁻⁶ /K |
| 热导率 | 160 W/m·K | 400 W/m·K |
| 热冲击性能 | 极强 | 中等 |
直接把钨和铜焊接/钎焊在一起，会造成一些问题：（1）很大的热膨胀差→造成界面热应力；（2）周期热冲击→导致界面裂纹；（3）Cu流动性高，W脆性大→ 接区容易失效；（4）高热流下易产生剥离、翘曲、热疲劳损伤。梯度材料通过过渡层的方式平滑两种材料的性能差异，从根本上解决界面应力问题。
三、钨铜梯度材料的典型结构形式
1.钨铜梯度材料的连续梯度结构，例如从表层到基底，实现：100%W到95%W/5%Cu\
90%W/10%Cu\80%W / 20%Cu……乃至50%W 50%Cu，最后逐渐过渡到高铜含量。这种结构用于极端热负荷部件，例如聚变堆分流器。
2.钨铜梯度材料的多层叠层梯度结构（step-wise）
如三层或五层梯度： 1层：100%W、2层：90W/10Cu、3层：70W/30Cu、4层：50W/50Cu、
5层：20W/80Cu（与CuCrZr冷却板连接）。这是目前工程上应用最广的FGM形式。
3.钨铜梯度材料的三维局部梯度结构
钨铜梯度材料局部增强区具有更多W，以抵抗热冲击；外围区有更多Cu，以提升导热并降低应力。钨铜梯度材料常用于局部高热流冲击区（10–20 MW/m²），热流梯度较大的第一壁模块。
四、钨铜梯度材料的制备方法
1.钨铜梯度材料的粉末冶金梯度压制
逐层填粉、多段压制→烧结→若需要可二次渗铜。粉末冶金梯度压制既有工艺成熟、成本较低的有点，也有连续梯度受限、界面局部孔隙可能存在等问题和缺点。
- 钨铜梯度材料的3D打印/激光选区熔化（SLM）或 DED
通过逐层调节W/Cu粉末比例实现连续梯度。该方法尽管工艺难度高，热裂倾向强，但可实现复杂结构、几乎任意梯度
- 钨铜梯度材料的真空渗铜+度多孔钨预制体
该方法通过改变预制体孔隙度使铜渗入量不同，从而形成梯度。其特点是高热导率，可用于高热流（>10 MW/m²），但是其渗透均匀性需要严格控制。
4.可用于模块化构件构筑钨铜梯度材料的冷喷涂、热等静压（HIP）、扩散连接等复合工艺。
五、钨铜梯度材料的性能优势
1.显著减少热膨胀不匹配→ 降低界面热应力
FGM的热膨胀系数从W向Cu平滑过渡，不易开裂、不易剥离、可承受高热流、高温循环
2.提升热流承载能力
梯度结构减少界面热阻，提高整体温度均匀性，适用于稳态10–15MW/m²、短脉冲>20MW/m²（聚变ELMs工况）
3.高辐照、高温环境下更可靠
W骨架抗辐照，Cu增强导热，梯度结构提升综合稳定性。
- 钨铜梯度材料的可根据需求定制性能
客户的主要诉求可以明确为热导率分布、热膨胀系数分布、强度分布、密度分布、电导率分布，使其非常适合极端工程环境。
六、钨铜梯度材料的典型应用
1.钨铜梯度材料的核聚变装置
这个装置主要应用于分流器（Divertor）热流模块、第一壁高热流区域、限器模块。例如在 ITER、DEMO、CFETR中都有使用，该装置是下一代替代W/Cu界面钎焊的主流方案。
2.钨铜梯度材料的航空航天高热流、再入热防护件
W层抗烧蚀+ Cu层提高导热，降低热斑温度。
- 钨铜梯度材料的高频电子封装散热模块
用于SiC/GaN高功率封装中优化热应力。
- 钨铜梯度材料的激光、高能束流、高速冲击组件
梯度结构可改善抗热冲击与抗裂性能。
七、钨铜梯度材料综述
钨铜梯度材料是一种沿厚度或结构方向实现W→Cu逐步过渡的复合材料，通过梯度结构实现了解决热膨胀失配、降低界面应力、提高热流承载与抗热冲击能力、提升长期可靠性等问题。钨铜梯度材料是核聚变、航空航天、高热流散热等极端环境中最具发展前景的材料技术路线之一。
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