3D打印技术新突破！金刚石/铜复合材料制备取得重要进展

近日，合肥工业大学罗来马团队通过BJ3DP 技术解决了金刚石 / 铜复合材料的复杂形状成型问题，结合钨表面金属化技术突破了界面结合弱的瓶颈，为高导热电子封装材料的制备提供了低成本、高自由度的新路径，推动了增材制造技术在先进复合材料领域的应用。相关成果以“Shape, microstructure and properties of diamond/copper composites prepared by binder jet additive manufacturing”为题发表于《International Journal of Refractory Metals and Hard Materials》期刊。

1

背景介绍

在现代微电子与信息技术迅猛发展的浪潮中，电子设备的功率持续攀升，散热问题已然成为制约其性能提升的关键瓶颈。金刚石 / 铜复合材料凭借着高导热性、低密度以及可调节的热膨胀系数等*特性，成为新一代散热材料的理想之选。然而，传统制备工艺如高温高压烧结、热压烧结等，在制备复杂形状的金刚石 / 铜复合材料时困难重重，往往需要进行后续加工，这不仅成本高昂，还极大地限制了该材料的广泛应用。

在此背景下，Binder Jet 3D 打印（BJ3DP）这一新兴的增材制造技术崭露头角。它能够在室温下通过液态粘结剂选择性地逐层粘结粉末，直接成型出具有复杂形状的坯体，无需模具，材料利用率高，为金刚石 / 铜复合材料的制备提供了全新的思路和可能。不过，目前国内外利用 BJ3DP 技术制备金刚石 / 铜复合材料的研究尚处于起步阶段，打印工艺和后续烧结工艺都有待优化。

2

文章亮点

（一）工艺参数优化，提升坯体质量

通过深入研究不同打印层厚度和粘结剂饱和度对金刚石 / 铜坯体密度、强度及表面质量的影响，发现当打印层厚度为 100μm、粘结剂饱和度为 50% 时，坯体性能达到*佳状态，相对密度为 59.37%，强度为 1.12MPa，且表面质量良好，无明显分层现象。这一优化结果为后续的烧结工艺奠定了坚实的基础。

（二）烧结温度探索，实现性能突破

在优化的打印工艺基础上，对不同烧结温度下材料的组织和性能展开研究。结果表明，随着烧结温度的升高（1150℃-1300℃），样品的相对密度逐渐增加，导热率先升高后降低。当烧结温度为 1250℃时，复合材料的相对密度达到 92.16%，导热系数为 229W・m⁻1・K⁻1，展现出优异的散热性能。然而，当温度升高至 1300℃时，样品出现严重变形，金刚石颗粒发生石墨化，这也为烧结温度的选择提供了警示。

（三）表面 metallization 技术，增强界面结合

针对金刚石与铜润湿性差的关键问题，采用钨对金刚石表面进行金属化处理。研究发现，钨镀层与金刚石颗粒结合紧密，在烧结过程中生成了 WC 和 W₂C 相，有效改善了界面润湿性，增强了界面结合强度。经过处理后，复合材料的相对密度提升至 94.95%，导热系数提高至 343W・m⁻1・K⁻1，较未处理样品提升了 49.8%，同时热膨胀系数降低，综合性能得到显著优化。

（四）复杂形状制备，展现技术优势

与传统制备工艺相比，BJ3DP 技术在材料设计自由度方面具有显著优势。研究团队成功利用该技术制备出具有复杂形状的钨镀层金刚石 / 铜复合材料，充分展示了其在实际应用中的潜力，为该材料在电子封装等领域的复杂结构设计提供了可能。

本站部分内容属转载，版权归原作者所有，特此声明！如果侵犯了您的版权请来信告知，我们将尽快删除

相关新闻