结合LPBF（激光熔覆粉末床技术）和Post-HIP（高能球磨处理）的方法用于制备具有优异热性能、机械性能和摩擦学性能的金刚石/铜复合材料

《Materials Science and Engineering: A》：Combined LPBF and Post-HIP approach for fabricating diamond/Cu composites with improved thermal, mechanical and tribological performance

本研究通过激光粉末床熔融（LPBF）结合热等静压（HIP）后处理，系统优化了Cr和W涂层元素及其厚度（200 nm和700 nm），解决了复杂形状 diamond/Cu复合材料成型困难、界面不稳定及导热性不足的问题，最终获得426.95 W/(m·K)的超高室温导热率，同时提升了机械性能。

　　

庞彦军|任学鹏|于尊月|侯若松|曲宣辉|任书斌

北京先进材料基因组工程创新中心，北京科技大学先进材料与技术研究所，中国北京100083

摘要

金刚石/铜复合材料是先进热管理材料的有希望的选择。然而，它们的实际应用往往受到使用传统制造方法制备所需形状组件的难度限制。激光粉末床熔融（LPBF）技术为制造此类组件提供了高几何自由度，但快速的熔化-凝固行为和复杂的熔池动力学给金刚石/铜复合材料带来了挑战，包括界面不稳定性、颗粒浮起以及热性能下降等问题。在这项工作中，我们提出了一种针对LPBF的界面工程策略，通过系统优化金刚石颗粒的涂层元素（Cr和W）和涂层厚度（200纳米和700纳米），并结合热等静压（HIP）后处理来改善这些问题。结果表明，涂层元素在界面反应和LPBF过程稳定性中起着关键作用。特别是，涂有W的金刚石颗粒有效抑制了LPBF过程中的颗粒浮起和飞溅现象，从而提高了材料的致密度和微观结构均匀性。经过HIP处理后，基于W的界面通过形成碳化物而得到稳定，降低了界面热阻并改善了载荷传递性能。因此，经过优化的W涂层金刚石/铜复合材料在热性能和机械性能上表现出协同增强效应，在LPBF处理后结合HIP处理的情况下，其室温热导率达到了426.95 W/(m·K)。本研究揭示了LPBF制备的金刚石/铜复合材料中界面主导的行为，并为未来开发具有复杂几何形状的增材制造热管理组件提供了有效途径。

引言

随着电子封装结构变得越来越小型化和复杂化，热管理面临重大挑战，如热量流增强和局部热点问题，同时对具有复杂几何形状和局部结构的热导材料的需求激增[[1], [2], [3]]。金刚石增强铜（金刚石/铜）复合材料因其优异的高热导率、机械强度和耐磨性而成为先进热管理应用的领先候选材料[[4], [5], [6], [7]]。这些特性使它们非常适合用于散热器、热界面材料和封装组件，这些领域对热效率和结构可靠性都有很高的要求[8,9]。然而，传统的制造技术（如压力浸渗[10]和粉末冶金[11]）往往难以生产出复杂的几何形状，而金刚石的极高硬度也使得后续加工变得困难[12]。相比之下，LPBF技术能够实现精确的逐层制造和快速固化，从而可以直接制造复杂结构[[16], [17], [18], [19], [20]]。这些能力使得LPBF成为生产高性能金刚石/铜复合材料的有前途的方法，具有更好的设计灵活性和功能性[13]。

迄今为止，只有少数初步研究尝试通过LPBF制备金刚石/铜复合材料，这表明该研究领域仍处于早期阶段。Gan等人[13]使用LPBF制备了Cu-Sn-Ti/金刚石复合材料，通过界面TiC的形成提高了硬度和耐磨性。然而，他们的研究中并未专门测量热导率。Constantin等人[1]在LPBF过程中引入了重熔步骤，显著提高了复合材料的热导率，从236 W/(m·K)提高到349 W/(m·K)。这种方法为金属基复合材料的增材制造在先进热管理领域开辟了新的途径。Zhang等人[21]通过LPBF制备了镀钛和镀铜的金刚石/铜复合材料，测得1体积%铜镀层的复合材料热导率为336 W/(m·K)。尽管已经做出了大量努力，但关于LPBF制备的金刚石/铜复合材料的研究仍处于早期阶段，尤其是在热性能方面。

金刚石和铜的润湿性极差，导致金刚石/铜复合材料中的界面结合弱且界面热阻高[22,23]。为了克服这一限制，通常采用两种策略[24]。第一种是基体合金化，即向铜基体中引入能与碳反应的金属元素（如钛[25,26]、硼[24,27]、锆[28]或铬[29]）。使用浸渗[10]或粉末冶金[11]工艺制备时，这些元素会在界面与金刚石反应，促进界面处的冶金结合，从而降低界面热阻并提高热导率。第二种方法是通过磁控溅射[12]或真空蒸发[21]在金刚石颗粒表面涂覆强碳化物形成金属元素（包括钛[30]、铬[31]、钨[12,32,33]或钼[34]）。在后续制备过程中，这些金属元素可以与金刚石反应形成界面结合，并与铜具有良好的润湿性，最终在界面处形成冶金结合，降低界面热阻并提高复合材料的热导率。先前的研究结果表明，W和Cr作为金刚石和铜之间的界面改性元素，可以将界面从机械结合转变为冶金结合，显著提高复合材料的热导率。因此，本研究中也使用了W和Cr作为界面改性元素。

在这项工作中，我们采用了两种界面改性方法、两种涂层元素和不同的涂层厚度，设计了四种类型的金刚石/铜复合材料。通过系统研究，我们开发了一种针对增材制造中快速固化行为的金刚石和铜的界面优化策略。采用LPBF制备并结合热等静压（HIP）后处理步骤制备的金刚石/铜复合材料，其热导率为426.95 W/(m·K)，并表现出优异的机械和摩擦性能。最重要的是，LPBF成形工艺有望解决传统压力浸渗或粉末冶金难以实现的复杂形状金刚石/铜复合材料的近净成形问题。

章节片段

金刚石颗粒的金属涂层

如图1所示，通过磁控溅射制备了三种类型的金属涂层金刚石粉末，分别是Cr涂层（200纳米和700纳米）和W涂层（700纳米）。沉积前，金刚石颗粒分别在乙醇和去离子水中超声清洗10分钟，然后在80°C下真空干燥2小时，以确保表面清洁并促进涂层附着。随后将粉末均匀分散在干净的石英玻璃基底上并放入溅射设备中

润湿性和界面特性的评估

为了加强金刚石和铜之间的界面结合，本研究中选择了Cr和W作为改性元素。由于W在铜基体中的溶解度极低，因此通过表面涂层将其引入金刚石颗粒中，界面碳化物的形成增强了润湿性和结合强度。相比之下，Cr改性体系通过静止滴液实验进行了优化，可以直接观察界面行为

结论

本研究建立了一种针对LPBF快速固化条件的Cr/W涂层金刚石/铜复合材料的全面界面工程策略。该策略表明，结合优化的涂层参数和HIP后处理可以协同改善热性能、机械性能和摩擦性能，为使用LPBF技术制备高增强相含量的金刚石/铜材料提供了有效的方法

CRediT作者贡献声明

庞彦军：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，实验研究，数据分析。任学鹏：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。于尊月：方法学研究，实验设计，概念构思。侯若松：撰写 – 审稿与编辑，数据分析。曲宣辉：项目监督，软件应用，资源协调，项目管理，资金筹集，概念构思。任书斌：项目监督，软件应用，资源协调，项目管理，资金筹集，

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了广东省重点领域研究与发展计划（编号2024B0101080003）、国家自然科学基金（项目编号52374365）以及中央高校基本科研业务费（编号FRF-BD-25-045）的支持。