近日，合肥工業(yè)大學羅來馬團隊通過BJ3DP 技術(shù)解決了金剛石 / 銅復(fù)合材料的復(fù)雜形狀成型問題，結(jié)合鎢表面金屬化技術(shù)突破了界面結(jié)合弱的瓶頸，為高導(dǎo)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(shù)在先進復(fù)合材料領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)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(shù)迅猛發(fā)展的浪潮中，電子設(shè)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(guān)鍵瓶頸。金剛石 / 銅復(fù)合材料憑借著高導(dǎo)熱性、低密度以及可調(diào)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(jié)、熱壓燒結(jié)等，在制備復(fù)雜形狀的金剛石 / 銅復(fù)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(yīng)用。

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

通過深入研究不同打印層厚度和粘結(jié)劑飽和度對金剛石 / 銅坯體密度、強度及表面質(zhì)量的影響，發(fā)現(xiàn)當打印層厚度為 100μm、粘結(jié)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(zhì)量良好，無明顯分層現(xiàn)象。這一優(yōu)化結(jié)果為后續(xù)的燒結(jié)工藝奠定了堅實的基礎(chǔ)。

（二）燒結(jié)溫度探索，實現(xiàn)性能突破

在優(yōu)化的打印工藝基礎(chǔ)上，對不同燒結(jié)溫度下材料的組織和性能展開研究。結(jié)果表明，隨著燒結(jié)溫度的升高（1150℃-1300℃），樣品的相對密度逐漸增加，導(dǎo)熱率先升高后降低。當燒結(jié)溫度為 1250℃時，復(fù)合材料的相對密度達到 92.16%，導(dǎo)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(jié)溫度的選擇提供了警示。

（三）表面 metallization 技術(shù)，增強界面結(jié)合

針對金剛石與銅潤濕性差的關(guān)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(jié)合緊密，在燒結(jié)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(jié)合強度。經(jīng)過處理后，復(fù)合材料的相對密度提升至 94.95%，導(dǎo)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(fù)雜形狀制備，展現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢

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