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在激光增材制造（AM）纯铜（Cu）领域，存在打印缺陷难控制、分辨率低和机械强度低等问题。研究人员开展氧化物弥散强化（ODS）策略研究，制备出分辨率达～70μm 的 ODS Cu，性能优异。该成果为相关领域发展提供新方向。
在科技飞速发展的当下，微电子和通信领域对高性能材料的需求愈发迫切。铜（Cu）因其优良的导电性和导热性，成为制造功能性器件的理想材料。然而，激光增材制造（AM，也叫 3D 打印）纯铜时却困难重重。一方面，铜对红外激光反射率高、热导率高，这使得激光加工时能量损失大，为了制造出致密且无缺陷的铜部件，往往需要高能量输入，可这又会导致严重的材料熔化，降低打印分辨率，在材料密度和打印分辨率之间形成难以平衡的 “跷跷板”。另一方面，激光增材制造的纯铜机械强度较低，常见的微合金化和添加陶瓷纳米颗粒等强化方法，要么会降低铜的电导率，要么存在纳米颗粒团聚等问题，无法有效提升综合性能 。这些难题就像一道道 “关卡”，阻碍着铜在相关领域的广泛应用。
为了突破这些瓶颈，来自香港中文大学、香港城市大学、美国马萨诸塞大学阿默斯特分校等多所高校的研究人员携手开展了深入研究。他们将目光聚焦于氧化物弥散强化（ODS）策略，致力于探索其在铜增材制造中的巨大潜力。最终，研究成果发表在《Nature Communications》上，为铜材料的应用开辟了新的天地。
在这项研究中，研究人员运用了多种关键技术方法。首先，采用氧辅助气体雾化（OAGA）技术制备含有均匀分布
Cu2O纳米颗粒的 ODS Cu 粉末原料。其次，运用激光粉末床熔融（PBF-LB）技术打印 ODS Cu 部件。同时，利用 X 射线衍射（XRD）、透射电子显微镜（TEM）等微观结构表征技术，对样品的物相、微观结构等进行分析。还通过拉伸试验、电导率测试等手段，研究材料的力学和电学性能。此外，借助高保真热流体流动模型对熔池动力学进行模拟。
研究结果如下：
- 氧辅助气体雾化和激光粉末床熔融：通过 OAGA 精确控制氧含量，制备出不同氧含量的 ODS Cu 粉末。以含 0.4 wt.% 氧的 ODS Cu 为研究对象，XRD 分析表明其粉末和打印部件中的氧化物相均为Cu2O。在 PBF-LB 过程中，Cu2O纳米颗粒均匀分布在铜基体中，尺寸从初始粉末的～100 nm 细化到打印后的～15 nm ，这得益于 PBF-LB 过程中 106 - 107K/s 的高冷却速率。
- 实现 ODS Cu 的高分辨率 PBF-LB：与纯铜相比，ODS Cu 的打印分辨率显著提高，其最小熔道宽度可达 78 μm，而纯铜为 160 μm。这主要归因于 ODS Cu 在低归一化焓下具有稳定的小孔熔化模式，其激光吸收率更高（37%，纯铜为 31%），熔池更稳定。同时，Cu2O纳米颗粒使 ODS Cu 熔体粘度从～8 cP 增加到～64 cP ，降低了熔池的流动速度，减少了粉末的粘附和烧结，改善了表面粗糙度，ODS Cu 的表面粗糙度Ra最优可达～0.9 μm。
- ODS Cu 的力学和电学性能：ODS Cu 具有较高的电导率（~320 W/m?K ，~80% IACS），与纯铜相比仅有较小牺牲。在力学性能方面，其屈服强度高达～450 MPa，是纯铜（~200 MPa）的两倍多，均匀延伸率为 11.5%，抗拉强度为 524 MPa ，远超其他 3D 打印的纳米颗粒增强铜和铜 - 氧合金。Cu2O纳米颗粒通过奥罗万强化机制，对 ODS Cu 的屈服强度贡献显著，约占总屈服强度的一半。
- AMed ODS Cu 在发射阵列天线中的应用：研究人员将 ODS Cu 应用于太赫兹（THz）发射阵列天线制造。与传统 3D 打印的纯铜天线相比，ODS Cu 天线的信号强度提高了 2.5 倍，具有更低的交叉极化水平（ - 31.1 dB ，纯铜天线为 - 22.8 dB），更小的旁瓣，更宽的带宽（149 - 188 GHz）和更高的辐射效率（>99%）。
研究结论和讨论部分指出，该研究开发的 ODS 策略可通过微调气体雾化过程中的氧含量，实现对Cu2O颗粒的可控形成。制备的 AMed ODS Cu 具有多尺度晶粒和亚晶粒微观结构，以及高密度、均匀分散的纳米颗粒，使其具备高屈服强度和良好的电导率。同时，该策略实现了～70μm 的超细特征尺寸和纳米级表面粗糙度。未来，ODS 策略有望在铜合金中进一步拓展应用，提升打印分辨率和综合性能。这项研究为高性能 THz 天线的制造提供了一种简便且高效的方法，在未来通信领域展现出巨大的应用潜力，推动了相关领域的技术革新和发展。
