3D打印技術新突破！金剛石/銅復合材料制備取得重要進展

近日，合肥工業(yè)大學羅來馬團隊通過BJ3DP 技術解決了金剛石 / 銅復合材料的復雜形狀成型問題，結合鎢表面金屬化技術突破了界面結合弱的瓶頸，為高導熱電子封裝材料的制備提供了低成本、高自由度的新路徑，推動了增材制造技術在先進復合材料領域的應用。相關成果以“Shape, microstructure and properties of diamond/copper composites prepared by binder jet additive manufacturing”為題發(fā)表于《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》期刊。

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背景介紹

在現(xiàn)代微電子與信息技術迅猛發(fā)展的浪潮中，電子設備的功率持續(xù)攀升，散熱問題已然成為制約其性能提升的關鍵瓶頸。金剛石 / 銅復合材料憑借著高導熱性、低密度以及可調節(jié)的熱膨脹系數(shù)等*特性，成為新一代散熱材料的理想之選。然而，傳統(tǒng)制備工藝如高溫高壓燒結、熱壓燒結等，在制備復雜形狀的金剛石 / 銅復合材料時困難重重，往往需要進行后續(xù)加工，這不僅成本高昂，還極大地限制了該材料的廣泛應用。

在此背景下，Binder Jet 3D 打印（BJ3DP）這一新興的增材制造技術嶄露頭角。它能夠在室溫下通過液態(tài)粘結劑選擇性地逐層粘結粉末，直接成型出具有復雜形狀的坯體，無需模具，材料利用率高，為金剛石 / 銅復合材料的制備提供了全新的思路和可能。不過，目前國內外利用 BJ3DP 技術制備金剛石 / 銅復合材料的研究尚處于起步階段，打印工藝和后續(xù)燒結工藝都有待優(yōu)化。

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文章亮點

（一）工藝參數(shù)優(yōu)化，提升坯體質量

通過深入研究不同打印層厚度和粘結劑飽和度對金剛石 / 銅坯體密度、強度及表面質量的影響，發(fā)現(xiàn)當打印層厚度為 100μm、粘結劑飽和度為 50% 時，坯體性能達到*佳狀態(tài)，相對密度為 59.37%，強度為 1.12MPa，且表面質量良好，無明顯分層現(xiàn)象。這一優(yōu)化結果為后續(xù)的燒結工藝奠定了堅實的基礎。

（二）燒結溫度探索，實現(xiàn)性能突破

在優(yōu)化的打印工藝基礎上，對不同燒結溫度下材料的組織和性能展開研究。結果表明，隨著燒結溫度的升高（1150℃-1300℃），樣品的相對密度逐漸增加，導熱率先升高后降低。當燒結溫度為 1250℃時，復合材料的相對密度達到 92.16%，導熱系數(shù)為 229W・m⁻1・K⁻1，展現(xiàn)出優(yōu)異的散熱性能。然而，當溫度升高至 1300℃時，樣品出現(xiàn)嚴重變形，金剛石顆粒發(fā)生石墨化，這也為燒結溫度的選擇提供了警示。

（三）表面 metallization 技術，增強界面結合

針對金剛石與銅潤濕性差的關鍵問題，采用鎢對金剛石表面進行金屬化處理。研究發(fā)現(xiàn)，鎢鍍層與金剛石顆粒結合緊密，在燒結過程中生成了 WC 和 W₂C 相，有效改善了界面潤濕性，增強了界面結合強度。經過處理后，復合材料的相對密度提升至 94.95%，導熱系數(shù)提高至 343W・m⁻1・K⁻1，較未處理樣品提升了 49.8%，同時熱膨脹系數(shù)降低，綜合性能得到顯著優(yōu)化。

（四）復雜形狀制備，展現(xiàn)技術優(yōu)勢

與傳統(tǒng)制備工藝相比，BJ3DP 技術在材料設計自由度方面具有顯著優(yōu)勢。研究團隊成功利用該技術制備出具有復雜形狀的鎢鍍層金剛石 / 銅復合材料，充分展示了其在實際應用中的潛力，為該材料在電子封裝等領域的復雜結構設計提供了可能。

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