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金属铜是重要的战略物资,3D打印技术在该领域的广泛应用将大大推动铜及铜合金产业的发展。由于铜具有高导热、高反光特性,铜制品的3D打印难度大、功耗较高。利用纳米材料的尺寸效应,降低铜的打印熔点是解决金属铜激光烧结难题的可行途径。为此,本文开展了3D打印用纳米铜粉的实验制备和烧结演化计算模拟的研究工作,对加速推动金属铜3D打印的技术发展有重要的实际意义。本文首先采用液相还原法进行10 nm球形纳米铜粉的调控制备。制备过程中还原剂和保护剂的选择对纳米铜粉产物尺寸、形状、分散性等有重要影响。采用水合肼作为还原剂可以制备出球形纳米铜粉,而采用硬脂酸和PEG的复合保护剂是调控铜粉产物尺寸、形貌均匀性和分散性的关键因素。本文以乙醇为溶剂、水合肼为还原剂、CuCl2为氧化剂、硬脂酸和PEG为保护剂(质量比小于1),制备出了分散性良好的1Onm级球形纳米铜粉。10 nm级的超细纳米铜粉表面活性大,采用实验手段研究其3D打印激光烧结,难度大、成本高。本文继续采用分子动力学方法对纳米铜粉烧结演化过程进行模拟,重点研究颗粒尺寸、烧结温度、烧结时间等因素对纳米铜粉烧结演化的影响。结果表明,2 nm、4 nm和8 nm纳米铜粉的理论熔点分别是985 KK、1233 KK和1341 K,验证了纳米铜粉的尺寸效应。烧结温度是影响纳米铜粉烧结演化的最重要因素,其次是颗粒尺寸,而烧结时间对烧结体结构演化的影响较小。铜粉颗粒表面和烧结颈处的结构演化最为明显。纳米铜粉烧结过程经历了烧结颈形成、长大和结构稳定三个阶段。烧结体结构达到动态稳定后,烧结体内部会出现非FCC结构和FCC结构的交替演化。推断纳米铜粉烧结熔化的结构演化过程为FCC→BCC→HCP→无序结构。最后,基于分子动力学模拟,本文对纳米铜粉烧结体的致密度进行了理论表征和分析。研究表明,在恒温烧结阶段的前20 ps,烧结体致密度迅速增大,20 ps之后趋于稳定。在降温烧结阶段,烧结体的致密度进一步升高,致密度变化与烧结时间呈线性关系。烧结温度及颗粒尺寸是影响烧结体致密度的关键因素。铜粉颗粒尺寸越小,烧结温度对烧结体致密度的影响越小。对于粒径2 nm以上(不含2 nm)铜粉的烧结体,总体上烧结温度越高,颗粒粒径越小,则收缩率越低,致密度越高。2 nm、4 nm和8nm铜粉体系在低于其理论熔点约200 KK的温度下恒温烧结200 ps,再以1 K/ps的速率降温烧结至300 K后,其烧结体的致密度分别可达97%、95%和82.5%。