顶刊Science Advances面向增材制造的高吸收率纳米结构化金属粉末

摘要：金属增材制造（AM）在医疗、航空航天和能源领域具有广阔前景，但其广泛应用受限于高反射率金属（如铜、银）和难熔金属（如钨）的打印难题。这些材料对近红外激光（1060-1080 nm）的吸收率低（铜仅约20%），且热扩散率高，导致熔池难以稳定形成。此外，钨的高熔点

主要作者：Ottman A. Tertuliano*，Adrian J. Lew*

第一单位：宾夕法尼亚大学（美国）

发表期刊：Science Advances

原文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adp0003

1.金属增材制造的技术瓶颈

金属增材制造（AM）在医疗、航空航天和能源领域具有广阔前景，但其广泛应用受限于高反射率金属（如铜、银）和难熔金属（如钨）的打印难题。这些材料对近红外激光（1060-1080 nm）的吸收率低（铜仅约20%），且热扩散率高，导致熔池难以稳定形成。此外，钨的高熔点（3422°C）会引发显著热梯度，产生残余应力和裂纹。

2.现有解决方案的局限性

高功率激光系统：虽可通过提升功率（>800 W）增强吸收，但存在光学元件损伤风险，且铜的吸收率随温度非线性变化，导致熔池控制困难。绿色激光系统：利用可见光波段（铜吸收率更高），但设备成本高昂。添加剂改性：通过纳米颗粒（如石墨烯、氮化铬）提升吸收率，但可能引入导电性下降或凝固裂纹等缺陷。粉末氧化层处理：化学蚀刻可恢复吸收率，但主要针对粉末寿命延长而非性能优化。

Fig.1 Surface topography changes of textured powders before and after etching

1.纳米结构化粉末制备

采用湿化学蚀刻工艺，在不改变材料成分的前提下，通过表面纳米沟槽提升吸收率：

铜及铜银合金：使用FeCl₃/HCl/乙醇溶液，蚀刻时间1-10小时，形成100 nm级沟槽结构。钨：采用30% H₂O₂溶液进行氧化蚀刻，生成纳米级表面粗糙度。自演化表面结构：蚀刻过程分三阶段——均匀蚀刻（1小时）、晶界优先蚀刻（5小时）、立方纳米晶体再沉积（10小时）。

2.吸收率与打印性能表征

量热实验：测量激光（175 W，1070 nm）扫描粉末时的能量吸收，计算有效吸收率（A_eff）。电磁模拟（COMSOL）：分析单颗粒表面纳米沟槽的等离子体共振效应与局域场增强机制。射线追踪模拟：研究粉末床中多尺度散射对整体吸收率的贡献。打印验证：使用商用激光粉末床熔融（LPBF）系统，评估不同能量密度下的打印密度与缺陷特征。

Fig.2 Experimental and simulated absorptivity enhancement in textured powder

1.吸收率显著提升

铜粉吸收率：蚀刻5小时的粉末（Cu05）在656 mm/s扫描速度下，吸收率从0.219提升至0.372（增幅70%）。铜银合金与钨：吸收率分别提升30%和29%（从0.45至0.58）。机制解析：纳米沟槽通过等离子体共振实现光场局域化，结合粉末床多重散射，协同提升吸收效率（图2D-E）。

2.低功率打印突破

铜打印密度：在83 J/mm³能量密度（100 W，300 mm/s）下，蚀刻10小时粉末（Cu10）的相对密度达92.6%，优于未处理粉末的85.6%。钨力学性能：打印样品硬度达5 GPa，优于同类电子束熔融工艺，且能量密度降低至725 J/mm³。复杂结构成型：成功打印50 mm级三重周期最小表面（TPMS）结构，验证工艺可扩展性（图4C-D）。

3.表面结构演化规律

蚀刻时间影响：短时间（1-5小时）形成均匀沟槽，长时间（10小时）导致铜纳米晶体再沉积，吸收率呈先升后降趋势。材料普适性：工艺可推广至铜银共晶合金与钨，但需针对不同金属优化蚀刻参数（如溶液浓度、时间）。

Fig.3 Relative density and XCT density variations in printed volumes

结论

1.技术创新点

成分无关的表面改性：通过纳米级表面形貌调控，避免添加剂引入的杂质问题，保持材料纯度与导电性。低成本工艺：湿化学蚀刻设备简单，适用于规模化生产，成本显著低于绿色激光系统或纳米涂层技术。多物理场协同机制：首次揭示等离子体共振与多重散射的耦合效应，为光学-热力学协同设计提供理论框架。

2.应用前景

高反射金属打印：推动纯铜、银在电子散热器与射频器件中的应用。难熔金属加工：为核聚变装置钨基部件提供高密度、低残余应力解决方案。工艺扩展性：可适配现有商用LPBF设备（功率需求≤500 W），降低产业化门槛。