金刚石复合材料,突破与挑战并存

原创 DT半导体材料 2025-01-26 18:20

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:

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。

  1. 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。
  2. 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。
  3. 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。
  4. 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。

  1. 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。
  2. 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。

扫码了解参会详情

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“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


注册缴费、赞助

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)

邮箱:zengyao@polydt.com



免责声明 | 部分素材源自doi:10.11868/j.issn.1005-5053.2023.000172及网络公开信息,版权归原作者所有。本平台发布仅为了传达一种不同观点,不代表对该观点赞同或支持。如涉侵权,请联系我们处理。

DT半导体材料 聚焦于半导体材料行业的最新动态
评论
  • 在上一期的内容中,我们精心为大家整理了一份关于晶台光耦在各类通信(驱动)电路中应用的选型指南。考虑到不同通信速率下的应用需求存在显著差异,如何准确选择适合的芯片并在同时合理控制成本,成为了设计过程中至关重要的一环。因此,从本期开始,我们将通过一系列详尽的应用实例及其原理示意图,为设计者们提供切实可行且具有高度参考价值的解决方案。晶台光耦的性能优势晶台光耦作为一种高性能的电子组件,在单片机(MCU)与可编程逻辑控制器(PLC)的通信电路中应用广泛。其晶体管输出型光耦系列,能满足多种中高速通信需求,
    晶台光耦 2025-02-13 10:34 143浏览
  • 文心一言免费对于创业来说是一个很大的机遇,加油!虽然是一个很大的挑战,但是好处还是很大的。文心一言的免费开放为创业者提供了一个低成本甚至零成本使用先进人工智能技术的机会。在以往,创业者若想在项目中融入AI技术,往往需要支付高昂的研发或授权费用。而现在,他们可以直接利用文心一言的强大功能,如语言理解、生成能力、深度搜索等,来构建自己的产品或服务,从而显著降低创业成本。文心一言的全面免费开放为创业者提供了广阔的创新空间。创业者可以基于文心一言开发出各种创新的应用和服务,满足市场的多样化需求。例如,利
    curton 2025-02-14 13:37 50浏览
  • 前言基于 ESP32 设计开发的智能流动环境检测车,旨在克服传统固定监测方式的不足。该车能够在不同环境场景下灵活移动,深入到各个角落进行环境数据采集,大大拓展了环境监测的范围和灵活性。通过集成多种先进的传感器,如 BMP280 用于精确采集温湿度和气压数据,ESP32cam 摄像头能够捕捉直观的图像信息,再结合网络 API 获取的天气预报信息,实现了多源数据的综合采集与分析,为全面、准确地了解环境状况提供了丰富的数据支持。展示整车展示APP展示云端展示功能1.除草(12v割草机)2.环境检测3.
    小恶魔owo 2025-02-13 11:43 256浏览
  • 文/Leon编辑/cc孙聪颖‍DeepSeek的持续火爆,正在向各个领域蔓延,包括智能终端、汽车智驾、制造业、金融和教育等。其中,DeepSeek在手机领域的应用最为引人关注。《华尔街科技眼》了解到,国产品牌努比亚则将深度整合DeepSeek,采用了系统级内嵌方式,用户在手机亮屏时可以直接与集成DeepSeek大模型的智能体对话,无需跳转应用。此前,华为小艺助手也接入了DeepSeek,但更接近于插件的方式,而非系统级的调用。DeepSeek大模型的优势在于用较低的训练成本实现高性能推理,并且开
    华尔街科技眼 2025-02-12 17:12 213浏览
  • 我跟EET的相识,起源于一次国际电子工程会议,当时我是为了去听国际行业趋势和新技术产品,以公司海外英文名报名参加的,在非常不经意间,我在会场的群里发表了少许观点,没想到当场就有很多人加我微信,微信加得手软,有位VIP席位上的美国有排名的科学家(她当时在上海中科院任职)约了与我共进午餐,隔年这位美国科学家还带来了国际合作,我们公司与亚洲最大的技术顾问公司签了战略合作及一些实际合作项目。所以,我挺早就在EET面包板上了,只不过那些年我所在的公司的国际业务繁忙,还要忙着参加美国分公司的筹备,于是下班后
    牛言喵语 2025-02-14 02:15 79浏览
  • 文:杜杰编辑:孙聪颖如果说2024年是手机的AI元年,三星应该是第一个站出来表示同意的,毕竟在ChatGPT热热闹闹的同时,三星S24是第一批“吃螃蟹”的。在经过了一年的AI试水之后,今年开年三星就率先在海外发布了进一步重构AI的S25,而今天该系列的国行版正式发布,大家最感兴趣的就是这部搭载原生AI的S25在国内的表现到底如何。无感的AI与去年S24小打小闹不同,今年S25在AI方面堪称是全面化、本地化,而从软硬件整合方面来看,显然AI已经成为S25的灵魂。经过这两年各路AI应用的训练,大家或
    华尔街科技眼 2025-02-13 19:30 127浏览
  • 在电路板Layout设计时,有时候会遇到高速差分信号对间或者对内需要交叉走线的情况,这不仅会导致Layout困难,而且交叉走线导致的via增加和绕线也会影响高速信号的信号质量。鉴于这个问题,一些高速差分信号在标准中就定义了其可以对内或者对间交叉连接,而不影响数据对接。现根据标准定义,将各个高速差分信号是否支持对间或对内翻转列出来,供设计参考。注:1. 列出的高速差分信号不全,后续陆续补充;2. 具体使用时,还需要咨询芯片供应商是否支持。USB2.0不支持对间和对内翻转USB3.0支持对内极性翻转
    durid 2025-02-14 08:23 79浏览
  • 前言非常感谢面包板社区和富芮坤,申请通过并收到了FR3068E-C开发板。特性FR3068E-C 芯片架构是属于双核架构,包括一颗独立的蓝牙核做蓝牙通讯以及另外一颗主核MCU,双核之间通过串口做HCI通讯,蓝牙核一般不对外开发,用户无需关注;内置128KB CRAM + 512KB SRAM,2MB Flash(根据芯片型号有不同大小配置);需外挂24MHz晶体时钟,系统主频最高可倍频至156MHz;工作温度为工业级 -40℃~105℃;有57个可编程IO(不同型号/封装会有所不同);支持两路C
    Batman 2025-02-12 12:43 303浏览
  • 案例概况ABB能源自动化公司通过宏集Cogent DataHub软件将电厂设施的数据实时传输到公司办公室,实现了OPC隧道/镜像解决方案,在电厂和公司网络之间建立了一个安全、可靠的连接,确保数据传输的高度安全,减少入侵风险。(一)应用背景1.确保电厂与公司办公室之间的安全数据传输ABB能源自动化公司为发电厂提供软件和控制系统,确保发电厂设备在最佳速度和效率下运行。在近期的项目中,ABB发现若能直接在公司办公室监控电厂的运行情况,将大大提高工作效率。于是ABB项目工程师Michele开始寻找一种可
    宏集科技 2025-02-13 16:38 115浏览
  • ​随着GNSS技术的不断进步,各类设备广泛采用该技术实现高精度定位,并推动了其在众多领域的广泛应用。对于关键行业如汽车制造和基础设施,设备的可用性和可靠性被视为基本准则,GNSS作为提供“绝对位置”信息的关键传感器,其稳定性和可靠性尤为关键。为此,中国已为汽车行业制定了详细的GNSS定位规范和行业标准。GNSS模拟器解决方案支持:BD 420005—2015 《北斗/全球卫星导航系统(GNSS)导航单元性能要求及测试方法》BD 420023—2019 《北斗/全球卫星导航系统(GNSS) RTK
    德思特测试测量 2025-02-13 15:35 135浏览
  • 前言最近正好想要做一个定位器,正好可以用嘉立创的STM32F407的板子,还要淘晶驰的串口屏配合NEO-6M做一个GPS实时定位感觉设计到的知识点还是挺全面的,包括串口通信,还要定时器硬件NEO-6M采用串口通信,默认9600(可以通过软件改115200)搭配有源天线,在室外定位很好用淘晶驰很火的串口屏,通过自带的软件可以随便画界面,还是很方便的可通过 USART HMI 软件进行全界面可视化编辑、支持 “C 语言代码” 和 “0 代码” 双模式编程,广泛应用于工业控制、智能家居等领域的智能串口
    小恶魔owo 2025-02-13 23:05 97浏览
  • 一、前言随着自动驾驶技术的快速发展,庞大的测试数据和复杂的场景需求为性能与安全评估带来了巨大挑战。如何高效管理海量数据、挖掘关键场景,并满足以Euro NCAP(European New Car Assessment Programme,欧洲新车安全评鉴协会)为代表的严格评估标准,已成为行业亟待解决的核心问题。这不仅关乎技术研发的效率与精度,更是智能驾驶车辆进入市场、提升竞争力的关键前提。本文我们将围绕如何应对海量数据所带来的挑战进行探讨,分享提高场景测试与性能安全评估的见解。二、 场
    康谋 2025-02-13 10:44 124浏览
  • 文心一言准备免费,说实话,这个是好事情,但是他也会产生非常大的影响,总体来说,对技术的发展还是起到积极的作用。文心新苑为什么要免费呢?无非就是市场的原因,绝对不是文心一言不想利用这个AI赚钱。我分析下原因:1、市场竞争:在人工智能技术高速发展的背景下,各类AI产品层出不穷,市场竞争日益激烈。尤其是DEEPSEEK的出现,真是的非常重大的一个事件,作为同类产品,文心一言非常无奈的被迫的选择全面免费策略,旨在迅速提高用户量,争夺市场份额。通过免费使用,文心一言能够吸引更多用户,形成网络效应,进而提升
    curton 2025-02-14 10:30 54浏览
  • 今日,长虹官宣旗下AI TV正式接入DeepSeek,并支持在“深度思考(满血R1)”和“快速响应”两个版本间自由切换,这意味着行业首个能深度思考的AI TV智能体已全面上线。据长虹相关负责人表示,目前,长虹电视用户终端的升级工作已全部结束,所有搭载了沧海智能体的长虹AI TV均已正式接入DeepSeek。通过深度融合DeepSeek的模型能力,持续升级用户的智能交互体验,真正做到让用户一次购买,就能享受产品的持续进化,让电视始终处于不断发展、永无最终形态的进化进程中。据了解,用户无需复杂的操作
    华尔街科技眼 2025-02-13 12:00 181浏览
我要评论
0
点击右上角,分享到朋友圈 我知道啦
请使用浏览器分享功能 我知道啦