改性石墨烯铜复合材料破解铜3D打印红外激光适配难题

纯针对纯铜近红外激光选区熔化存在吸收率低、成型窗口窄、缺陷多发问题，现有改良方案存在改造成本高、损害铜导电导热性能等短板。基于上述产业现状，伦敦大学学院、帝国理工、丹麦技术大学多国联合团队开展改性石墨烯复合铜粉（Cu-CMG）研究，论文 2026年7月在线发表于《Carbon》，相关技术已申请欧美专利。研究制备0.2wt%化学改性石墨烯复合铜粉，依托同步辐射原位成像、多尺度表征与流体仿真，搭建50组功率-速度参数下熔化、表面质量、缺陷三类工艺图谱。

复合粉末近红外吸收率提升3倍，成型局部吸收率由0.15~0.20升至0.57；稳定匙孔加工窗口拓宽3.5倍，优质成型参数区间扩大2倍，可抑制球化、孔隙缺陷，直接适配现有1030–1080nm商用红外激光设备，为电机、液冷散热铜构件低成本增材制造提供全新材料路线。

原文链接：Synchrotron-informed process mapping of copper and copper with chemically modified graphene.pdf

01行业痛点：纯铜LPBF制造存在固有技术壁垒

激光粉末床激光粉末床熔融（LPBF）可制备航空、新能源、动力设备所需复杂铜构件，但纯铜对1030–1080nm商用近红外激光反射率极高，激光与粉末耦合作用弱，成型件品质难以保障。

当前行业改良路径均存在明显局限：

• 一是单纯优化打印参数，需搭配高功率激光、低扫描速度，生产效率大幅下降，反射光束还会损伤设备光学组件；
• 二是更换蓝、绿短波长激光器，整机改造、冷却与维护成本大幅上升，无法兼容存量产线；
• 三是锡、镍、TiC等无机掺杂会残留在铜基体内部，永久性降低铜导热、导电性能；
• 四是碳黑、碳纳米管、普通氧化石墨烯掺杂虽能提升吸光，但会破坏铜微观组织，电学性能劣化，且增吸底层机理长期缺乏完整实验佐证。

本研究选用还原氧化石墨烯制备化学改性石墨烯（CMG）作为铜粉掺杂助剂，依托欧洲同步辐射高速原位 X 射线观测、多尺度材料表征与高精度流体仿真。

02材料制备：0.2wt%CMG铜粉成套制备工艺

展示Cu-CMG原料合成步骤的工艺流程图。以改良Hummer法为起点，经氧化石墨烯还原，再与铜在球磨机中以干介质混合，制得用于激光粉末床熔融（LPBF）的Cu-CMG原料。颜色与右下角标注的化学混合物相对应。

2.1 CMG合成流程

采用改良Hummers法制备氧化石墨烯（GO）：石墨、硫酸、磷酸、高锰酸钾混合后50℃搅拌18h，降温至20℃逐滴添加双氧水至溶液泛黄；8000转离心清洗至溶液pH＞5，再经5000转五次离心剥离未剥离石墨，9000转浓缩GO悬浊液；液氮冷冻干燥3天，管式炉低温还原得到低光学带隙CMG，该工艺可精准调控碳层官能团，强化光子 - 声子耦合光热效应。

2.2 复合粉末混制

采用干式球磨将CMg均匀包覆商用纯铜粉末，对比0.2wt%、0.3wt%、0.4wt%三种掺杂比例，确定0.2wt%为最优配比。

干法工艺不破坏粉末球形形貌与流动性能，不改变铜基础凝固特性，纯铜熔点 1095℃，Cu-CMG熔点1090℃，仅相差5℃，粉末粒径分布无明显变化。

2.3 多维度粉末表征

• 质谱与电镜表征：ToF-SIMS离子图谱、STEM-EDX元素扫描证实碳层完整均匀覆盖铜颗粒，单颗铜粉表面可观测连续碳包覆层；
• 拉曼光谱：Cu-CMG的ID/IG比值为1.52，碳缺陷间距33.3–44.6nm，证明氧化石墨烯还原充分；
• XPS 能谱：碳元素C=C键占比90%，氧碳比0.173，低带隙结构可高效捕获近红外光子；
• 光谱定量：紫外-可见近红外测试显示Cu-CMG粉末近红外吸收能力为纯铜3 倍；CFD流体仿真测算打印过程局部激光吸收率由纯铜0.15~0.20提升至0.57，提升近4倍。

Cu-CMG粉末原料的化学表征。(A) Cu+和(B) C-的飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）离子分布图。(A)中的黑色圆圈表示铜粉末颗粒的位置。(C) 单个Cu-CMG粉末颗粒的扫描透射电镜-能量色散X射线谱（STEM-EDX），插图显示了铜（粉色）和碳（绿色）的分布。扫描透射电镜（STEM）和能量色散X射线谱（EDX）图像的比例尺均为250纳米。(D) Cu-CMG粉末原料的拉曼光谱，以及(E) C 1s的高分辨率X射线光电子能谱（XPS）

03打印实验：50组参数构建三类完整工艺图谱

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实验采用四激光原位打印设备Quad-ISOPR，以 316L不锈钢为基板，设置50组激光功率（P）- 扫描速度（v）参数组合，覆盖全能量密度区间，每组参数重复5次验证稳定性；依托欧洲同步ESRF ID19光束线40000帧 / 秒高速X射线原位成像，搭配XCT断层扫描、光学显微镜交叉验证全部成型规律，绘制熔化模式、表面粗糙度、缺陷三大工艺图。

实验室打印研究中的可打印性过程图。代表性光学显微照片（OM）对比了铜（Cu）和铜-CMG材料的关键熔化模式，即（A）匙孔气孔、（B）稳定匙孔和（C）传导模式。注：（A）为200倍放大，（B-C）为400倍放大。通过光学显微照片和在线光学相机成像确定了（D）铜粉末和（E）铜-CMG粉末的熔化模式过程图。图D和图E中分别用红色、绿色和蓝色圆圈标注了铜及铜-CMG材料的代表性光学显微照片拍摄条件。

3.1 熔化模式工艺图谱

打印分为不稳定匙孔、稳定匙孔、熔池传导、无成型四大状态。纯铜稳定匙孔区间狭窄，大量参数下出现深且波动的匙孔，氩气包裹形成内部水滴状孔隙。

添加0.2wt%CMG后，稳定匙孔加工窗口拓宽3.5 倍，150W低功率、500mm/s中速条件即可连续成型，熔池深度、温度同步提升，熔化均匀性显著改善，无效无打印区域大幅缩减。

3.2 表面粗糙度工艺图谱

成型表面分为光滑、球化、波纹、断轨四类缺陷。纯铜极易出现V型波纹、颗粒球化瑕疵；Cu-CMG可产出平整轨道的参数区间扩大2倍，CMG提升熔池热稳定性，抑制液面波动，打印轨道高低差均匀，大幅削减后续抛光工序。

3.3 缺陷演化工艺图谱

成型主要缺陷分为匙孔内部孔隙、轨道末端缺陷（EOTD）。同步辐射高速影像完整捕捉缺陷生成机制：低速高能量下匙孔剧烈震荡坍塌，截留保护气形成微小孔隙；扫描末尾振镜减速、激光持续照射，熔池蒸汽压力波动、凝固收缩，生成尺寸更大的轨道空腔。同等参数下Cu-CMG熔池温度更高，部分孔隙上浮逸出，缺陷可控参数范围更广。

实验室打印研究得到的表面及缺陷工艺图。

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04多层重熔验证：CMG彻底解决纯铜烧结难题

实验打印8层薄壁试样，参数固定400W功率、500mm/s扫描速度，单层厚度60μm。纯铜打印前期依靠不锈钢基板稀释作用实现熔融，多层打印后基板影响消失，铜对激光反射极强，仅发生表层烧结，轨道分层断裂；同等条件下Cu-CMG全程维持连续完整熔池，构件致密无烧结缺陷。

铜-CMG原料的近红外激光吸收增强特性：射线照片展示了（A）纯铜以及P=400W v=250mm/s（B）在激光重熔过程中激光与熔道的相互作用。紫色箭头和绿色线条分别表示匙孔气孔和熔池边界。光学图像显示（C）铜激光粉末床熔融中的粉末烧结体（以白色虚线标示），以及（D）铜-CMG激光粉末床熔融中的光滑熔道。（E-F）铜和CMG的典型成像光学相干断层扫描（IOC）图像，彩色标尺表示强度。（G）铜和铜-CMG在激光重熔过程中由在线光学相机捕获的平均灰度强度。（H）通过紫外-可见-近红外光谱法测得的铜和铜-CMG粉末的漫反射率。红色矩形表示入射近红外激光波段范围。

在线光学相机采集熔池辐射灰度数据，Cu-CMG熔池平均辐射强度远高于纯铜；紫外光谱在1030–1080nm工业红外波段吸收率显著领先，直接证明CMG光热增效作用，材料完全适配市面主流红外激光3D打印设备。

05成果价值与产业化进展

• 技术优势：无需更换激光器、无需改造产线，仅微量掺杂即可解决纯铜打印先天吸光短板，0.2wt% 添加量不会大幅损耗铜原生高导电、高导热性能，区别于金属掺杂带来永久杂质污染；
• 应用场景：可批量制备新能源电机绕组、数据中心液冷散热部件、高效换热设备等高精度铜功能构件；
• 知识产权：团队已提交欧洲专利 EP21801610.3A、美国专利 US18/249,495，目前处于待授权阶段；
• 后续研究：现阶段仅完成单道轨道、小型薄壁试样验证，下一步将开展大尺寸多层构件打印，系统测试 Cu-CMG 力学、导电、导热综合性能，搭建标准化工业参数数据库，推动该复合铜粉从实验室走向量产原料。

来源：先进铜基材料