一、研究背景

电子行业对高效散热器件的需求日益增长，散热性能的提升依赖于高热导率材料和复杂几何结构（如内部流道）的结合。铜/金刚石复合材料因兼具铜的高导电性和金刚石的超高热导率（约2000 W/(m·K)），被认为是下一代散热材料的理想候选。

传统制备方法（粉末冶金、液态金属浸渗、电镀/化学镀）难以实现复杂几何形状的制造，限制了其应用。增材制造技术虽能制备复杂结构，但基于熔化的工艺（如定向能量沉积）温度过高，易导致金刚石石墨化，严重降低材料性能。

粘结剂喷射增材制造采用低温成型+中温烧结的两步法，加工温度远低于金刚石石墨化温度，且无需支撑结构、成本低、可扩展性强，是制备铜/金刚石复合材料的理想工艺。本研究首次验证了该工艺的可行性，并系统研究了金刚石含量和烧结温度对材料性能的影响。

二、研究内容与实验方法

2.1 实验材料与配方

原材料：

• 镀铜金刚石粉：由台湾FACT Fine Abrasive公司提供，采用电镀法制备，铜镀层与金刚石核的质量比为1:1，镀层厚度2-4μm，镀层与金刚石之间存在Ni-P中间层。
• 纯铜粉：由四川志春新材料科技有限公司提供。
• 粘结剂：MicroJet Technology公司提供的水性透明粘结剂，含8%二乙二醇和2% TERGITOL™ 15-S-7。

实验配方：将镀铜金刚石粉与纯铜粉按比例混合，制备两种金刚石体积分数的粉末混合物：
• Cu/Dia (10 vol% Dia)：金刚石体积分数10%
• Cu/Dia (50 vol% Dia)：金刚石体积分数50%
混合方式：采用Paul O. Abbe实验室罐式球磨机混合，无研磨介质。

粉末表征方法：

• 形貌观察：JEOL JSM-7500F和TESCAN FERA3扫描电子显微镜(SEM)
• 粒度分布：HORIBA LA-960激光散射粒度分析仪
• 成分分析：JEOL JSM-7500F配备的能谱仪(EDS)
• 密度测试：按ASTM B212和B527标准分别测试松装密度和振实密度

2.2 样品制备实验步骤

打印工艺：

• 设备：ComeTrue T10粘结剂喷射打印机（MicroJet Technology）
• 样品尺寸：圆盘状，直径10mm，高度5mm
• 打印参数：层厚120μm（约为粉末中位粒径的3-4倍），过量系数1.6，辊子移动速度30mm/s，辊子转速500rpm，打印头每层扫描2次
• 后处理：打印完成后，40℃固化6h，然后用吹风机去除松散粉末

烧结工艺：

预实验表明1000℃烧结时样品表面会出现液滴且颜色变暗，因此选择800℃和900℃两个烧结温度。烧结在OTF-1200X管式炉中进行，具体参数：
• 气氛：95%氮气+5%氢气的成型气，流量150sccm
• 真空度：约4mbar（中真空）
• 升温曲线：室温→450℃（2h），保温2h脱粘→以5℃/min升至烧结温度，保温2h→随炉冷却至室温
• 每组参数制备3个平行样品

2.3 性能测试与表征方法

• 密度与孔隙率：生坯密度采用称重法；烧结体密度采用阿基米德法（ISO-18754标准）；计算显气孔率、闭气孔率和总孔隙率。
• 物相分析：BRUKER AXS D8 Discover X射线衍射仪(XRD)，Cu Kα辐射，40kV，40mA，扫描速度0.06°/s。
• 微观结构：SEM观察平行于打印方向的断口形貌，EDS分析元素分布。

2.4 实验结果与分析

2.4.1 粉末性能

2.4.2 密度与孔隙率

结果表明：金刚石体积分数从10%增加到50%时，生坯密度从50.4%提升至55.1%，但粉末烧结性下降；烧结温度从800℃升至900℃时，两种样品的相对体积密度均显著提高（10vol%样品从54.5%升至69.1%，50vol%样品从54.8%升至65.6%）；所有样品的孔隙以开孔为主，升温可显著降低显气孔率。

2.4.3 物相组成

XRD分析显示：所有样品均只检测到铜和金刚石的特征峰，未发现石墨峰，证明在800℃和900℃烧结条件下金刚石未发生石墨化；800℃烧结样品中存在Ni峰，两个温度下均检测到Ni₃P峰，来源于镀铜层中的Ni-P中间层在高温下的反应。

2.4.4 微观结构

微观结构分析表明：800℃烧结时处于非致密化烧结阶段，样品呈现颗粒状结构，烧结颈细小；900℃烧结时进入致密化烧结阶段，铜形成连续网络结构，烧结颈显著长大；铜-金刚石体系润湿性差，孔隙主要集中在铜基体与金刚石颗粒之间；900℃时铜-镍-磷三元液相生成，导致镀铜层脱落并在金刚石表面形成液滴。

2.4.5 断裂行为

断裂行为分析：800℃时，铜镀层与金刚石之间的结合力弱于铜颗粒之间的烧结颈结合力，断裂优先发生在铜镀层与金刚石界面；900℃时，铜镀层与纯铜颗粒融合形成连续基体，断裂转移到铜基体与金刚石的界面。

三、研究结论

• 首次验证了粘结剂喷射增材制造技术制备铜/金刚石复合材料的可行性，成功制备了金刚石体积分数高达50%的复合材料样品，且所有样品中金刚石分布均匀。
• 金刚石体积分数从10vol%增加到50vol%时，粉末混合物的烧结性下降，最终烧结体相对体积密度从69.1%降至65.6%。
• 烧结温度从800℃升至900℃可显著提高样品的致密化程度，相对体积密度提升约10-15个百分点，显气孔率大幅下降。
• 烧结温度升高使材料微观结构从颗粒状结构演变为铜网络结构，烧结颈显著长大，从非致密化烧结阶段进入致密化烧结阶段。
• 在800℃和900℃的烧结条件下，所有样品均未检测到金刚石石墨化，证明粘结剂喷射的低温工艺特性可有效保护金刚石性能。
• 材料的断裂行为随烧结温度变化：800℃时断裂发生在铜镀层与金刚石界面，900℃时断裂发生在铜基体与金刚石界面。