港大&港中大 l 基于氧化物弥散强化实现高分辨率铜的增材制造

3D科学谷洞察

基于氧化物弥散强化的策略实现了分辨率低于100μm（约70μm）的铜的增材制造，突破了传统激光增材制造铜部件时因铜的高反射率和高导热性导致的分辨率限制，使打印出的铜部件具有更精细的结构。。”

具有高强度和导电性的三维（3D）复杂铜（Cu）器件，对于包括电信、电子和热管理等在内的广泛应用领域而言至关重要。激光增材制造（AM），也被称为3D打印技术，近年来取得的进展已能够实现具有复杂几何形状的铜部件的净成形。然而，铜的激光增材制造面临的一个重大挑战在于难以控制打印缺陷，例如未熔合或锁孔型气孔等，这些缺陷与铜的固有物理特性有关——铜对红外激光的高反射率以及高导热性，而这些特性对激光加工非常不利。

为制造致密且无缺陷的铜部件，常常需要高能量输入，以弥补因激光反射和散热而造成的能量损失。由于对铜的吸收率有所提高，短波长（绿色或蓝色）激光束源已被广泛应用于制造相对密度较高的铜部件的激光增材制造中。然而，提高铜对能量的吸收不可避免地会导致严重的材料熔化，进而降低打印分辨率，从而在材料密度和打印分辨率之间形成一种权衡取舍。

此外，在高能量输入下，Cu的液态熔池会发生显著的体积膨胀和扰动，这会导致表面粗糙度较高。目前为止，激光增材制造铜所能达到的最小特征尺寸局限于100至200微米，表面粗糙度Ra在5至20微米之间，阻碍了器件性能的进一步提升。

【成果速览】

在此，香港大学陆洋教授、香港中文大学宋旭教授报道了一种简便的氧化物弥散强化（ODS）策略，该策略能够通过激光粉末床熔融技术实现分辨率低于100μm（约70μm）的铜的增材制造。这种氧化物弥散强化策略从氧辅助气体雾化开始，将超细的氧化亚铜（Cu₂O）纳米颗粒引入到纯铜粉末原料中。

这些纳米级弥散相不仅提高了激光吸收率和熔体的粘度，还促进了动态润湿行为。经过氧化物弥散强化的铜展现出约450MPa的显著屈服强度和约12%的较大均匀延伸率，同时保持了高导电性。作为一个示例，科研人员打印了一个经过氧化物弥散强化的铜微结构太赫兹（THz）天线，与传统3D打印的纯铜天线相比，其信号强度提高了2.5倍。

相关成果以「Oxide-dispersion-enabled laser additive manufacturing of high-resolution copper」为题刊登在Nature Communications上。

【数据概况】

图1.基于氧化物弥散强化（ODS）技术实现的Cu的激光增材制造。

图2.经ODS技术处理的Cu的微观结构。

图3.增材制造的经ODS处理的铜与纯铜在打印分辨率和熔体行为方面的比较。

图4.经ODS处理的铜的高分辨率打印机制。

图5.增材制造的经ODS处理的铜与纯铜的力学性能和电学性能。

图6.经ODS处理的Cu基THz发射阵列天线的表征及功能性能。

【结论展望】

通过在气体雾化阶段利用原位氧化引入纳米级的Cu₂O强化颗粒，开发出了一种简便的可用于3D打印的ODS铜的策略，这种简便的ODS策略可以通过微调气体雾化过程中的氧含量轻松实现，从而能够控制改性氧化亚铜颗粒的形成。

经ODS处理的增材制造铜呈现出具有高密度、均匀分散纳米颗粒的多尺度晶粒和亚晶粒微观结构，使其具有450MPa的高屈服强度和80%国际退火铜标准的电导率。

此外，由于激光吸收率提高、熔体粘度增大，以及在高温和低温下独特的动态润湿转变，实现了小至约70μm的超细特征尺寸和纳米级的表面粗糙度。未来，该策略有望扩展其在铜合金中的应用，以提高打印分辨率和整体性能。作为一个示范案例研究，高分辨率的经氧化物弥散强化处理的铜被用于激光粉末床熔融（PBF-LB）工艺，以制造性能显著提升的太赫兹（THz）微结构天线，这表明其在未来电信应用中的巨大潜力。

https://doi.org/10.1038/s41467-025-58373-6

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