哈工大张洪涛何鹏教授|一种新型金刚石增强铜基复合材料增材制造工艺

近年来，随着微电子技术和第三代半导体技术的进步，现代电子器件正朝着高度集成化、多功能化和高功率化的方向发展。然而，这种发展也带来了一个严重的问题，即器件发热量的急剧增加。这个问题直接影响到电子器件的工作稳定性、安全可靠性和使用寿命。在我国核心技术产业发展中，尤其是在电子信息和通信领域，散热问题已经成为一个瓶颈。

为了解决电子器件的散热问题，需要先进的热管理材料和制备技术。其中，金刚石增强铜基复合材料是目前应用最广泛的热管理材料之一。这种复合材料利用金刚石强化相的高热导率和低热膨胀系数，以及铜基体材料的优异导热导电性能和良好的机械加工性能，具有很多优势。因此，在航空航天、电子器件和国防军用等高端技术领域，金刚石增强铜基复合材料得到了广泛应用。

目前，金刚石增强铜基复合材料的制备主要采用固态制备方法和液态制备方法。这些方法需要在高温高压的条件下进行，不仅制造成本高，而且制造效率低下。此外，复合材料样品的尺寸还受到加工模具和高温加热设备内部空间的限制。

为了克服上述问题，超声波增材制造方法成为一种理想的选择。这种方法属于低温制造方法，具有加工温度低、工艺设计自由度高、清洁高效等优势。通过超声波增材制造方法，可以降低金刚石增强铜基复合材料的制造成本，并实现复杂几何形状的制造。

哈尔滨工业大学张洪涛教授和何鹏教授带领的团队通过对金刚石增强相颗粒的表面金属化处理和空间位置约束，并在超声波低温固结技术下实现了金刚石强化相颗粒在层压复合材料中稳定存在及其复合材料的自由成形和加工制备。相关成果以Microstructure and interface evolution of diamond/Cu composites prepared via ultrasonic additive manufacturing (UAM)为题发表在Journal of Materials Research and Technology期刊上。

首先，为了解决复合材料预制带制备过程中金刚石颗粒对基体金属层间导电性能的影响，需要对金刚石颗粒进行预处理，在其表面形成导电涂层。该镀层同时可以有效改善金刚石与金属基体材料的界面结合，抑制金刚石与金属基体之间的不利反应，进而达到优化材料导热性能和力学性能的目的。本文采用熔盐法对金刚石进行表面镀铬处理，最终在金刚石颗粒表面形成了均匀、完整的铬镀层。

其次，通过设计三维栅格结构实现了金刚石强化相颗粒在复合材料层间的空间约束和固定。铜网呈现均匀、规则的编织结构，每个栅格空间均为独立的正方形结构，在预制带制备过程中通过手工铺粉的方式，形成了每个栅格内只填充一颗金刚石颗粒的理想结构。

随后，团队利用电阻焊工艺构建“三明治”结构金刚石增强铜基复合材料预制带，镀铬金刚石颗粒与铜箔基体形成了一定强度的连接。

最后，以预制带作为复合材料叠层制备的原材料结构单元，实现了镀铬金刚石/铜复合材料的超声波固结制备，该复合材料实现了金刚石与铜之间的优异结合，且热导率达到428.07 W/m·K。

总之，随着电子器件发展的需求，热管理材料的研究和制备技术的发展变得尤为重要。金刚石增强铜基复合材料以其独特的性能在高端技术领域得到广泛应用。超声波增材制造方法作为一种低温制造方法，能够有效解决制备过程中的一些问题，为金刚石增强铜基复合材料的制备提供了新的途径，团队提出的金刚石增强铜基复合材料快速短流程超声固相增材制造工艺为颗粒增强金属基复合材料制备提供了新的工艺思路，对热管理类材料的发展和我国核心技术产业的进步具有重要意义。

内容作者：杜荣茂

转自：“天天老师说科研”微信公众号

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