3D打印铜及铜合金中的孔隙如何影响机械及电性能？

最新推荐文章于 2025-10-14 11:08:17 发布

转载最新推荐文章于 2025-10-14 11:08:17 发布 · 318 阅读

CC 4.0 BY-SA版权

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUzNDE4NDQyOQ==&mid=2247553701&idx=1&sn=19ea0594bd9c0815559d3b919af916fe&chksm=fb186a20fd724928186be625c4b50bd0853c9fd6e9c0059f85d60790df38a803ec4ca957904e&scene=126&sessionid=0

对于航天器中的铜合金应用，可以通过调整材料中的孔隙大小、孔隙率等参数实现对铜机械性能、热导率、电导率以及催化效率的控制，这对于强化航天器应用特别有吸引力。3D打印技术参考此前也报道过， NASA JPL团队认为多孔材料并非一无所用，将孔隙这一不利因素充分利用，可以制造出功能产品。

来自加州理工学院喷气实验室的研究人员，探索了加工参数对铜基金属的最终微观结构和材料性能的影响。建立了LPBF工艺下，打印参数与纯铜、青铜和黄铜三种材料的孔隙率，以及孔隙率与机械性能和电性能之间的关系。相关成果以“Porosity control of copper-based alloys via powder bed fusion additive manufacturing for spacecraft applications”为题发表在Journal of Porous Materials上。

https://doi.org/10.1007/s10934-023-01544-x

研究背景

金属中的孔隙率提供了额外的设计参数来控制材料固有性能之外的特性。航天器多孔金属部件的应用包括具有定制比强度或刚度的结构材料、具有调整的有效导热性的热管理以及催化部件。质量和体积的有效利用对于航天器在确保稳定性的同时最大化任务有效载荷至关重要。构建结构材料为航天器提供了可调节的强度与重量比，或为防止飞行器撞击提供了能量吸收能力。

热管理是航天器的另一个关键问题，因为发电、电子和面向太阳的组件会产生热梯度，关键仪器在工作过程中可能因过热导致光学子系统热致变形。多孔工程材料提供了导热性较低的通道，同时也可用作热管组件，以增强导热性和等温性。

在电化学和催化领域，将二氧化碳转化为烃类和氧气具有极高的研究价值，因为它为太空探索中的原位资源利用提供了一条途径。二氧化碳（CO2）转化为烃类的研究在地球系统中已受到广泛关注，因为它有助于减少温室气体排放。铜在将CO2转化为高级烃类方面表现出巨大的潜力，但规模化制备具有层次孔结构的铜催化剂仍然是一个挑战。此外，无阳极锂金属电池被广泛认为是“超越锂离子电池”的主要候选者，它利用铜作为电流收集器，无需电化学活性阳极，为多孔铜材料提供了另一种应用场景。

制造多孔金属的方法包括使用液体或固体金属的发泡剂、金属粉末的部分烧结、使用占位材料，以及增材制造。特别是，激光粉末床熔融（LPBF）增材制造技术已被用于制造几何驱动的晶格结构。粉末床熔融技术通过使用聚焦的热能源熔化粉末原料来制造部件，可控参数包括沉积的激光功率、激光扫描速度、扫描间距和层厚度，通过这些参数可以调控材料中的孔隙度。

3D打印制造多孔材料的两种方式

在LPBF工艺中，已经探索了两种制造多孔部件制造方式：（1）通过用户设计的几何结构（如晶格或多孔通道）来构造孔隙；（2）通过“非优化”参数选择来实现工艺诱导的孔隙。

3D打印制造多孔结构的两种方式

研究团队调整工艺参数3D打印铜基多孔结构

通过用户定义的几何结构制造多孔部件在多孔LPBF研究中占据主导地位，因为它利用了为全密度部件开发的加工参数，并通过计算机模型的设计来创建孔隙。然而，孔隙的大小受限于LPBF工艺的分辨率，文献报道的孔隙大小范围从100到1500 μm不等。使用参数选择来生成孔隙可以实现低于50μm分辨率的更细孔隙，并显示出广泛的可控孔隙范围（从<1%到45%），适用于不锈钢、镍基高温合金、铝和钛合金等材料。

建立孔隙与材料性能之间的关系

加州理工学院的研究人员，选择了铜（EOS Copper CuCP）、青铜（Stanford Advanced Materials，Cu-10Sn）和黄铜（American Elements，Cu-Zn-01-P）3D打印多孔材料，并使用同类全密度样品比较导电性和机械性能。研究人员设计了一系列工艺参数进行样品打印和表征，样品孔隙率与LPBF参数密切相关。在保持等效能量密度的同时增加扫描间距会导致熔体轨迹宽度增加和表观孔径增大，而总体样品孔隙率没有显著变化。孔隙率和表面形态的控制显示出对材料选择和加工参数的强烈依赖性。

通过LPBF工艺打印的多孔纯铜、青铜和黄铜（所有图像的比例尺均为5mm）

在建立参数选择和微观结构孔隙率之间的相关性后，研究人员的目的是了解产生的孔隙率对铜基样品电性能的影响。对立方体和圆柱形样品进行电导率测量——电导率随着孔隙率的增加而降低。尽管通过LPBF制造的铜和黄铜的全密度样品缺乏，限制了样品之间相对电导率的比较，但实验仍展示了通过参数调整对所有材料的电导率进行控制的能力。对于每种材料的最高密度，无论是立方体还是圆柱形样品，材料的电导率都是从青铜到黄铜再到铜逐渐增加的。

用于控制孔隙率的不同LPBF参数的加工铜、青铜和黄铜样品的表面特征

参数引起的孔隙率对铜、青铜和黄铜电导率的影响

不同孔隙率下的铜、青铜和黄铜样品的电导率、弹性模量和压缩屈服强度之间的关系

孔隙率的局部控制可以为航天器的结构、热、电和电化学应用提供独特的性能。这项工作展示了通过调整LPBF加工参数来控制铜、青铜和黄铜的孔隙率、电气和机械性能。通过选择适当的参数组合，证明了铜基合金孔隙率的控制，铜的孔隙率变化为20%，青铜为50%，黄铜为45%。此外，还探讨了参数引起的孔隙率对电气和机械性能的影响，展示了通过调整孔隙率可以为电气和机械性能的调节提供新设计空间。

注：本文内容由3D打印技术参考整理编辑，转载请点击转载须知。

欢迎转发