激光粉末床熔融铜-钨复合材料在高功率电子散热应用中的研究

《Advanced Engineering Materials》：Laser Powder Bed Fusion of Copper–Tungsten Composites for Heat Sink Applications in High-Power Electronics

本文通过优化激光粉末床熔融（PBF-LB/M）工艺参数，成功制备了适用于高功率电子散热的铜-钨（Cu/W，20 vol% W）金属基复合材料，实现了高达99.4%的相对致密度。材料在保持高导热性（达300.1 W/(m·K)）的同时，显著降低了热膨胀系数（CTE），降幅达23.1%，有效缓解了多层组件中的热应力。研究通过系统表征和物理模型预测，并结合复杂几何散热器样件的制造，证实了该复合材料在增材制造热管理领域具备巨大应用潜力。

　　

激光粉末床熔融（PBF-LB/M）作为一种前沿的增材制造技术，为制造具有复杂几何形状的功能部件提供了可能。金属基复合材料（MMC）则能通过组合不同材料的优势，为目标应用定制性能。本研究聚焦于铜-钨（Cu/W）复合材料，旨在将其应用于高功率电子器件的散热领域，核心目标是通过降低材料的热膨胀系数（CTE）来缓解多层组装体中的热应力，同时保持较高的热导率。

研究采用成分为80 vol% 铜和20 vol% 钨（Cu/W 80/20）的复合材料粉末。铜粉通过气雾化法制备，中位粒径（d₅₀）为20.2 μm；钨粉则通过传统路线合成，粒径极细，d₅₀仅为0.74 μm。通过行星式球磨和筛分制备出复合粉末。粉末表征显示，其粒径分布呈双峰模式，分别对应细小的钨颗粒和较粗的铜颗粒。扫描电子显微镜（SEM）图像显示，细小的钨颗粒倾向于团聚，并附着在球形铜颗粒表面，形成了非均质的涂层形态。这种结构显著提高了激光（波长为1070 nm）的吸收率，达到73.3%，而纯铜粉的反射率高达74.4%。粉末的流动性和振实密度等特性也被详细评估，结果表明复合粉末的流动性与纯铜粉相比显著下降。

在PBF-LB/M工艺优化部分，研究使用常规设备（ProX DMP 200）进行，激光波长1070 nm，光斑尺寸70 μm，层厚固定为30 μm。通过系统改变激光功率、扫描速度和扫描间距，以长方体试样的光学相对密度为指标进行参数优化。最终确定的优化参数组合为：最大激光功率262 W，扫描速度1050 mm/s，扫描间距60 μm，对应的体能量密度（E_v）为138.6 J/mm³。在此参数下，获得了高达99.38%的光学相对密度。研究观察了不同能量密度下缺陷的形成机制：能量不足时，主要以未熔合孔隙为主；能量过高时，则会出现匙孔孔隙；优化参数区间内，可获得缺陷极少、熔池稳定的致密微观结构。随后，使用优化参数集制造的圆柱形试样进行验证，通过光学显微镜和阿基米德法测得的相对密度趋势一致，均在扫描速度1050 mm/s时达到最高，但两种方法测得的绝对值存在差异，这归因于测量原理的不同。

对成型后的Cu/W复合材料进行了详尽的微观结构分析。光学显微镜和SEM观察表明，钨颗粒在基体中的分布并不均匀，存在团聚现象。在激光加工过程中，部分钨团聚体吸收了大量能量而发生熔化，随后重新凝固形成较大的“钨区”。孔隙，特别是界面孔隙，主要出现在铜基体与钨颗粒或钨区的交界处，这主要是由于熔融铜对钨的润湿性不佳所致。

材料的热物理和电学性能是本研究的核心。通过激光闪射法（LFA）和热光学法（TOM）测量热扩散率，并结合比热容和密度计算热导率。结果显示，在22°C时，Cu/W复合材料的最高热导率达到300.1 W/(m·K)，相当于纯铜参考样（394.4 W/(m·K)）的76.1%。热导率与试样的相对密度呈正相关趋势。研究应用麦克斯韦（Maxwell）模型对复合材料的热导率进行了理论预测，并与实验结果进行了对比，发现实测值普遍低于理论预测，这归因于钨颗粒的非均匀分布、界面孔隙以及测量误差等因素。比热容通过差示扫描量热法（DSC）测量，在20°C时为0.297 J/(g·K)，比纯铜的文献值低22.9%。

热膨胀系数（CTE）通过热膨胀仪测量。在20-300°C温度范围内，Cu/W复合材料的平均CTE为14.6 × 10^?6K^?1，最低测量值可达13.3 × 10^?6K^?1，与纯铜（17.3 × 10^?6K^?1）相比，最大降幅达23.1%。研究使用混合律（ROM）和特纳（Turner）模型对CTE进行了理论计算，发现ROM的预测值与实验结果更为接近。电导率通过涡流法测量，最高达到35.0 MS/m，是纯铜参考样的58.2%，且与试样相对密度正相关。硬度方面，由于钨颗粒的强化作用，Cu/W复合材料的维氏硬度达到72.6 HV1，比纯铜的典型值提高了11.7%。

为了展示该材料在PBF-LB/M工艺中的成形能力和应用潜力，研究制造了多个演示部件。首先是一系列具有不同壁厚（设计值200-2000 μm）的长方体壁状结构。结果表明，壁厚可稳定制造至约250 μm，而200 μm的设计壁厚未能成功成形，这定义了当前工艺下的可制造极限。壁厚的实际测量值普遍比设计值小66-72 μm，这被归因于粉末床中的空隙导致的工艺收缩。更重要的是，研究成功制造了两种散热器样件：一种是具有简单直鳍结构的散热器，另一种则设计了带有径向弯曲鳍片和轻微悬垂结构的复杂几何形状散热器。这些演示部件证实了Cu/W 80/20复合材料适用于PBF-LB/M工艺，并能制造出具有最大化散热表面积的复杂几何形状，这对于提高散热效率至关重要。

综上所述，本研究成功实现了Cu/W 80/20复合材料在PBF-LB/M工艺中的应用认证。通过系统的粉末制备、工艺优化、微观结构表征和性能测试，获得了兼具高导热（300.1 W/(m·K)）和低热膨胀（CTE最低13.3 × 10^?6K^?1）的复合材料。其性能与通过线性插值估算的传统工艺制备的同类材料相当，展现了增材制造在该领域的竞争力。尽管存在界面孔隙等缺陷，但理论模型与实验结果的结合分析深化了对材料行为的理解。复杂演示部件的成功制造，特别是薄壁结构和异形散热器，充分证明了Cu/W复合材料在热管理系统，尤其是高功率电子散热应用中的巨大潜力。未来的研究应致力于进一步优化工艺以减少界面缺陷，改善粉末流动性以确保大尺寸部件制造的稳定性和可重复性，从而推动该材料走向更广泛的实际工程应用。