在材料科学领域，金刚石颗粒增强金属基复合材料凭借金属与金刚石的优良特性，在众多领域展现出巨大应用潜力。而增材制造技术（俗称 3D 打印技术）的兴起，更为这种复合材料复杂构件的直接成形开辟了新途径。今天，就让我们一起深入了解一下增材制造金刚石颗粒增强金属基复合材料的研究进展。
增材制造技术：复合材料成形新选择
传统制备金属 / 金刚石复合材料的方法，如高温高压烧结、真空热压烧结等，在面对异型、超薄、内部流道等复杂结构零件时，常因模具设计和机加工处理复杂、加工成本高而受限。增材制造技术则不同，它以粉末、液体、丝材等为原料，基于零件三维模型，通过逐点 - 逐线 - 逐层堆积的方式实现材料成形，具有材料利用率高、工序少、生产效率高、能制造复杂结构零件等诸多优势。目前，用于金属 / 金刚石复合材料制备的增材制造技术主要有以下几种：
- 激光选区熔化技术（SLM）：该技术依据零件三维模型切片信息，利用激光束选择性熔化粉末层，形成含金刚石颗粒的微熔池，层层累积最终成形零件，在精密复杂结构直接成形方面优势显著。
- 激光熔覆技术（LC）：通过激光束将熔覆材料与基材熔凝，在基材表面制备出性能优异的含有金刚石颗粒的耐磨层。其熔覆材料供给方式分为预置式和同步式两种，相比传统电镀、钎焊工艺，能有效提高表层与基体的结合力。
- 冷喷涂技术（CS）：这是一种基于高速粒子固态沉积的涂层制备方法。微粉在被加速撞击到基材上后形成涂层，由于全程处于低温状态，可避免金刚石在高温沉积过程中出现的热损伤、残余热应力和相变等问题，在金刚石耐磨层制备上潜力巨大。
粉末原料：复合材料性能的基石
金属 / 金刚石复合材料多以粉末作为成形原料，粉末质量直接决定了成形零件的品质。
- 金属粉末的选择：为保证金属元素均匀性和粉末流动性，常选用球形或近球形预合金粉末，常用粒度范围为 15 - 53μm（细粉）和 53 - 150μm（粗粉） ，制备技术包含雾化法和等离子法。确定合金成分时，既要考虑其对增材制造过程的适应性，也要关注其与金刚石的亲和性。目前，Al 合金、Fe 合金、Ti 合金等多种合金体系被用于增材制造金属 / 金刚石复合材料。研究发现，Ti 基合金在界面反应、石墨化控制等方面综合性能更优，但 Co、Fe、Ni 等元素可能促进金刚石石墨化，需谨慎选择。
- 金刚石粉末的选择：常规金刚石参数众多，可按需选择。对于粉床型增材制造技术，要结合分层厚度确定合适粒径。此外，对金刚石表面进行改性处理十分必要，它能提高与金属的润湿性、增强与金属基体的结合强度，在冷喷涂技术中还能使金刚石颗粒与金属外壳形成冶金结合。
- 金刚石浓度及粉末均匀性：一般来说，金刚石浓度越高，复合材料的耐磨、导热性能越好，但过高浓度会导致金属熔体无法充分包裹金刚石颗粒，且成本增加，因此需根据实际需求确定浓度。对于粉床型增材制造技术，由于粉末要重复循环使用，所以评估粉末均匀性对保证成形产品稳定性至关重要。
技术难题：前行路上的挑战
在增材制造金属 / 金刚石复合材料的过程中，还面临着诸多技术难题。
- 金刚石飞溅问题：在复合材料增材制造过程中，金刚石飞溅现象明显，这可能导致金属液滴球化，进而形成孔隙缺陷，尤其在金刚石含量较高时更为突出。飞溅不仅造成材料损失，还会影响熔化轨迹的连续性，导致粉末缺失，影响下一层粉末铺展，加剧层厚的不连续性和不均匀性。飞溅主要分为蒸发引起的飞溅和夹带引起的飞溅，增加激光能量密度对控制飞溅作用有限，而通过重复熔化可有效抑制飞溅和成形缺陷。
- 金属与金刚石颗粒界面控制：当金刚石与高温熔池接触，界面会发生复杂反应，这直接影响基体对金刚石的把持力以及复合材料的物理性能。不同合金体系的界面反应不同，例如 AlSi 系基体材料，在低激光能量密度下可得到洁净界面，高能量密度下则会形成氧化物层和碳化物层，降低复合材料的导热性能。此外，由于金刚石与金属基体热膨胀系数不同，界面处还易产生残余应力，导致金刚石颗粒周围出现裂纹。
- 金刚石的石墨化问题：金刚石热稳定性差，受到高能束流冲击或与高温熔池接触时易发生石墨化，这会严重影响复合材料的使用性能。多项研究表明，激光选区熔化过程中的高温热传导、热冲击，以及合金中的某些元素都会加剧金刚石的石墨化。通过控制熔池温度，能在一定程度上控制石墨化现象。
- 金刚石颗粒的破损：此问题主要出现在冷喷涂技术中。尽管冷喷涂的低成形温度避免了金刚石的高温损伤，但高速粒子冲击基体时，脆性的金刚石颗粒极易破碎。研究发现，沉积样品内部破损金刚石颗粒的含量与冲击速度和破损速度的比值有关，在金刚石表面包覆缓冲层可缓解冲击损伤。
应用领域：潜力无限的舞台
增材制造金属 / 金刚石复合材料凭借其优良性能，在多个领域得到应用。
- 工具材料领域：在硬质材料加工的砂轮、钻头、磨盘等工具材料方面，增材制造技术优势明显。比如，利用该技术制备的多孔铝合金 / 金刚石复合材料砂轮，孔隙率可调，性能优于传统电镀法制备的产品；制备的特殊结构钻头和磨盘，能优化切削面结构，提高工作效率。
- 散热材料领域：金刚石导热性能极佳，与高导热金属基体复合后，通过增材制造技术控制界面，可获得导热性能高、热膨胀系数低的复合材料，在微电子行业散热材料领域备受关注。
未来展望：机遇与挑战同在
目前，增材制造金属 / 金刚石复合材料仍处于基础研究阶段。与传统粉末冶金制备技术相比，其成本较高，且存在金属熔池稳定性差、金刚石易损伤、成形质量和精度控制难度大等问题。复合材料致密化与缺陷形成机制、金刚石石墨化机理尚不明确。未来，需要在复合材料结构与成分设计、增材制造工艺优化等方面开展大量研究工作，建立工艺参数与成型质量、金刚石完整度、性能之间的关系，实现复合材料致密性、界面结合、金刚石防护等多方面的协同控制。
相信随着研究的不断深入和技术的持续进步，增材制造金刚石颗粒增强金属基复合材料必将在更多领域大放异彩，为材料科学的发展注入新的活力。
2025（第五届）碳基半导体材料与器件产业发展论坛
2025（第五届）碳基半导体材料与器件产业发展论坛（CarbonSemi 2025）将在2025年4月10-12日于宁波召开。
碳基半导体（包括金刚石、碳化硅、石墨烯和碳纳米管等）因其超宽禁带、高热导率、高载流子迁移率以及优异的化学稳定性等卓越的特性，正在成为解决传统硅基半导体材料逐渐逼近物理极限问题的关键途径。在人工智能、5G/6G通信、新能源汽车等迅猛发展的新兴产业领域表现出广阔的应用前景。尤其是在当前不确定的国际局势和贸易环境背景下，碳基半导体战略意义凸显，成为多国布局的重要赛道。为此，由DT新材料将举办的第五届碳基半导体材料与器件产业发展论坛，以“创新·融合（金刚石&“金刚石+”）”为主题，将围绕金刚石以及“金刚石+”半导体的生长、精密加工、键合、器件制造、高效热管理应用等环节中的关键技术和设备，搭建一个汇聚顶尖专家学者、企业家和产业界人士的高水平交流平台，分享与探讨碳基半导体产业趋势、创新成果和应用需求，推动碳基半导体产业上下游合作，助力产业链高质量发展。
报告申请：
汪杨
电话：19045661526（微信同号）
邮箱：wangyang@polydt.com
刘琦
电话：18958383279（微信同号）
邮箱：liuqi@polydt.com
李蕊
电话：13373875075（微信同号）
邮箱：luna@polydt.com
曾瑶
电话：18958254586（微信同号）
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