थर्मल प्रबंधन और विद्युत चालकता अनुप्रयोगों में, तांबे (सीयू) भागों के निर्माण की क्षमता होना महत्वपूर्ण है जो पूरी तरह से घने, अत्यधिक थर्मल / प्रवाहकीय प्रवाहकीय और उत्कृष्ट यांत्रिक गुण हैं। एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (एएम), या 3डी प्रिंटिंग, जटिल ज्यामिति के साथ Cu भागों का उत्पादन करने का एक अभूतपूर्व अवसर प्रदान करता है। हालाँकि, शुद्ध Cu इन्फ्रारेड लेज़रों का अत्यधिक परावर्तक होता है, इसलिए आमतौर पर उपयोग किए जाने वाले लेज़र एडिटिव विनिर्माण उपकरण के साथ मुद्रित शुद्ध Cu भागों में उच्च छिद्र होता है, जो उनकी यांत्रिक और थर्मल/विद्युत चालकता को कम करता है। यद्यपि शुद्ध तांबे के हिस्सों की उच्च घनत्व को शॉर्ट-वेवलेंथ ग्रीन लेजर या इलेक्ट्रॉन बीम से लैस एडिटिव विनिर्माण उपकरण द्वारा उत्पादित किया जा सकता है, शुद्ध तांबे की अंतर्निहित कम ताकत और थर्मल सॉफ्टनिंग का विरोध करने में असमर्थता ने लेजर एडिटिव रूप से निर्मित तांबे के हिस्सों के अनुप्रयोग को रोक दिया है। उच्च यांत्रिक भार और उच्च तापमान।
उपरोक्त समस्याओं को हल करने के लिए, ऑस्ट्रेलिया के क्वींसलैंड विश्वविद्यालय के प्रोफेसर जिंगक्सिंग झांग की टीम ने मोनाश विश्वविद्यालय के प्रोफेसर क्रिस्टोफर हचिंसन, सिडनी विश्वविद्यालय के प्रोफेसर जूली केर्नी, प्रोफेसर मियाओ-क्वान ली के सहयोग से काम किया। नॉर्थवेस्टर्न पॉलिटेक्निकल यूनिवर्सिटी से, चोंगकिंग यूनिवर्सिटी से प्रो. जियाओक्सू हुआंग, डेनमार्क के विज्ञान और प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय से प्रो. जेस्पर हेनरी हट्टेल और आरएमआईटी यूनिवर्सिटी से प्रो. मार्क ईस्टन, उच्च घनत्व वाले तांबे के हिस्सों का उत्पादन करने के लिए मिलकर काम कर रहे हैं। आरएमआईटी विश्वविद्यालय के प्रोफेसर मार्क ईस्टन और अन्य टीमों ने उच्च शक्ति और उच्च चालकता वाले तांबे की 3डी प्रिंटिंग के लिए एक डिजाइन रणनीति का प्रस्ताव करने के लिए सहयोग किया है। डिज़ाइन रणनीति की कुंजी एक ऐसे योगात्मक कण का चयन करना है जो शुद्ध तांबे के पाउडर के साथ सजातीय रूप से मिश्रित होता है ताकि यह सुनिश्चित हो सके कि जब लेजर पाउडर के साथ इंटरैक्ट करता है तो यह शुद्ध तांबे के लेजर अवशोषण को बढ़ाता है। इसके अलावा, जब पाउडर पिघलता है और जमने के दौरान पुनः अवक्षेपित होता है, तो योगात्मक कण पिघले हुए पूल में घुलकर तांबे के मैट्रिक्स में फैल जाते हैं, इस प्रकार इसकी तापीय/विद्युत चालकता को कम किए बिना तांबे को मजबूत किया जाता है। योगात्मक कणों के लिए स्क्रीनिंग मानदंड इस प्रकार हैं: (1) तांबे में कणों के घटक तत्वों की ठोस घुलनशीलता तापीय/विद्युत चालकता पर उनके प्रतिकूल प्रभाव को कम करने और नैनोकणों के पुनः अवक्षेपण की क्षमता को अधिकतम करने के लिए न्यूनतम होनी चाहिए। जमाना; (2) कणों का गलनांक कम होना चाहिए ताकि पिघले हुए पूल में उनके पिघलने की सुविधा हो और जमने के दौरान पुनः अवक्षेपित नैनोकणों के मोटे होने की क्षमता कमजोर हो; (3) तरल तांबे में कणों का गीलापन बिंदु कम होना चाहिए तरल तांबे में अवक्षेपित नैनोकणों के ढेर को रोकने के लिए तरल तांबे में कणों का गीलापन कोण कम होना चाहिए। इस डिज़ाइन विचार के आधार पर, हमने पाया कि लैंथेनम हेक्साबोराइड (LaB6) उपरोक्त मानदंडों को पूरा करता है। LaB6 नैनोकणों की ट्रेस मात्रा जोड़कर, उच्च घनत्व और उच्च प्रदर्शन वाले तांबे और इसके ज्यामितीय रूप से जटिल हिस्सों को लेजर एडिटिव विनिर्माण द्वारा महसूस किया गया।
संबंधित कार्य शीर्ष अंतरराष्ट्रीय पत्रिका नेचर कम्युनिकेशंस में "लेजर पाउडर बेड फ्यूजन के साथ उच्च शक्ति और उच्च चालकता तांबे का निर्माण" शीर्षक के तहत प्रकाशित किया गया था। संचार. डॉ. यिंगगैंग लियू (अब स्कूल ऑफ एरोनॉटिक्स, नॉर्थवेस्टर्न पॉलिटेक्निक यूनिवर्सिटी में प्रोफेसर) और क्वींसलैंड विश्वविद्यालय के डॉ. जिंगकी झांग सह-प्रथम लेखक हैं, जबकि क्वींसलैंड विश्वविद्यालय के प्रोफेसर मिंगक्सिंग झांग, डॉ. रैनमिंग नीयू सिडनी विश्वविद्यालय के प्रोफेसर, और मोनाश विश्वविद्यालय के प्रोफेसर क्रिस्टोफर हचिंसन सह-संबंधित लेखक हैं।
छवि।
एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग (एएम), या 3डी प्रिंटिंग, ज्यामितीय रूप से जटिल तांबे के हिस्सों के तेजी से निर्माण को सक्षम बनाता है और इसमें थर्मल प्रबंधन और विद्युत चालकता में अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला है। हालाँकि, शुद्ध तांबा नरम होता है, जबकि इन्फ्रारेड लेज़रों के प्रति इसकी उच्च परावर्तनशीलता के परिणामस्वरूप आम तौर पर उच्च सरंध्रता वाले 3डी मुद्रित हिस्से बनते हैं, जो उनके प्रदर्शन को कम कर देता है। यद्यपि हरे लेजर या इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग करके एडिटिव विनिर्माण उच्च घनत्व के साथ शुद्ध तांबे के हिस्सों को प्रिंट कर सकता है, कमरे के तापमान पर शुद्ध तांबे की अंतर्निहित कम ताकत और थर्मल नरमी का विरोध करने में असमर्थता उच्च यांत्रिक भार और उच्च के अधीन एडिटिव रूप से निर्मित तांबे के हिस्सों के अनुप्रयोग को सीमित करती है। तापमान. शुद्ध तांबे में मिश्रधातु बनाकर Cr, Co, Fe और Zr जैसे तत्व मिलाने से लेजर अवशोषण बढ़ सकता है और सब्सट्रेट मजबूत हो सकता है, लेकिन यह विधि तांबे में उनकी उच्च ठोस घुलनशीलता के कारण तांबे की तापीय/विद्युत चालकता को काफी कम कर देती है। एक अन्य तरीका उच्च तापीय/विद्युत चालकता बनाए रखते हुए तांबे को मजबूत करने के लिए शुद्ध तांबे के साथ अमिश्रणीय बाहरी कणों (Al2O3, TiB2, आदि) को जोड़ना है। हालाँकि, व्यवहार में, नैनोकणों के ढेर के कारण, लचीलापन और क्षति सहनशीलता से समझौता किए बिना महत्वपूर्ण मजबूती प्राप्त करना बेहद मुश्किल साबित होता है। परिणामस्वरूप, मिश्रधातु बनाने या असंगत बाहरी कणों को जोड़ने से ताकत बढ़ सकती है और लेजर अवशोषण गुणों में सुधार हो सकता है, लेकिन आमतौर पर थर्मल/विद्युत चालकता और लचीलापन में उल्लेखनीय कमी आती है। उच्च शक्ति, उच्च चालकता तांबे के हिस्सों की 3 डी प्रिंटिंग एक गंभीर चुनौती बनी हुई है .
यहां, हम लेजर पाउडर बेड फ्यूजन (एल-पीबीएफ) द्वारा शुद्ध तांबे के पाउडर में थोड़ी मात्रा में लैंथेनम हेक्साबोराइड (एलएबी6) नैनोकणों को जोड़कर उच्च-घनत्व, उच्च-प्रदर्शन वाले तांबे के हिस्सों को तैयार करने के लिए एक लेजर एडिटिव विनिर्माण विधि का प्रदर्शन करते हैं। इस विधि की कुंजी शुद्ध तांबे में उपयुक्त कणों का परिचय है जो शुद्ध तांबे के लेजर अवशोषण को बढ़ाते हैं, इसके बाद पिघले पूल में विघटन और जमने के दौरान पुनर्अवक्षेपण होता है। LaB6 को इसके उच्च लेजर अवशोषण, अच्छी विद्युत चालकता, कम पिघलने बिंदु और तरल तांबे के साथ कम गीला कोण के आधार पर चुना गया था। LaB6 की दोहरी भूमिका है। सबसे पहले, यह शुद्ध तांबे के लेजर अवशोषण में सुधार करता है, इस प्रकार पाउडर के बेहतर संलयन को बढ़ावा देता है। दूसरा, पाउडर संलयन के दौरान पिघलने और बाद में जमने के दौरान व्यापक रूप से वितरित नैनोकणों के रूप में पुन: अवक्षेपित होने की इसकी क्षमता न केवल सामग्री की ताकत को बढ़ाती है, बल्कि अधिक लचीलापन और उच्च तापीय/विद्युत चालकता भी बनाए रखती है। 1wt% LaB6-डोप्ड तांबा प्रदर्शित करता है 346.8 एमपीए की उपज शक्ति, शुद्ध तांबे की तुलना में 3.7 गुना अधिक, साथ ही 22.8% की फ्रैक्चर लचीलापन, 98.4%, और 1.4% की उच्च तापीय/विद्युत चालकता।1wt% LaB6-डोप्ड तांबा IACS (इंटरनेशनल एनील्ड प्योर कॉपर स्कीम) के लिए भी एक अच्छा उम्मीदवार है। IACS (इंटरनेशनल एनील्ड कॉपर स्टैंडर्ड) विद्युत चालकता, 387 W/mK की तापीय चालकता, और 1050 डिग्री पर नरम होने के लिए उत्कृष्ट प्रतिरोध, जो शुद्ध तांबे के पिघलने बिंदु के करीब है। इसके अलावा, इस अध्ययन में ज्यामितीय रूप से जटिल भागों के लिए विधि की प्रयोज्यता भी प्रदर्शित की गई है। नव विकसित LaB 6- डोप्ड कॉपर मिश्र धातुओं की 3डी प्रिंटिंग में एक महत्वपूर्ण अंतर को भरता है और उच्च यांत्रिक भार और उच्च तापमान वातावरण के लिए उपयुक्त है। चूंकि समान रूप से बिखरे हुए नैनोकणों का उपयोग आमतौर पर धातु सामग्री को मजबूत करने के लिए किया जाता है, पिघलने और जमने पर पुनर्अवक्षेपण की इस डिजाइन रणनीति को प्रिंट-तैयार, उच्च-प्रदर्शन सामग्री के विकास के लिए अन्य मिश्र धातु प्रणालियों तक बढ़ाया जा सकता है।
चित्र 1 लेज़र पाउडर बेड मेल्टिंग द्वारा तैयार शुद्ध और LaB6-डोप्ड तांबे की सूक्ष्म संरचना और लेज़र परावर्तन परीक्षण के परिणाम
चित्र 2 लेजर पाउडर बेड मेल्टिंग द्वारा तैयार किए गए LaB6-डोप्ड तांबे का नैनोकण विश्लेषण
चित्र 3 एपीटी लेजर पाउडर बेड मेल्टिंग द्वारा तैयार किए गए LaB6 डोप्ड तांबे का मौलिक लक्षण वर्णन
चित्र 4 लेजर पाउडर बेड मेल्टिंग द्वारा तैयार किए गए LaB6-डोप्ड तांबे के यांत्रिक गुण और विद्युत चालकता परीक्षण परिणाम।
चित्र 5 लेजर पाउडर बेड मेल्टिंग द्वारा तैयार किए गए LaB6 डोप्ड कॉपर डॉट्स के संपीड़न परीक्षण परिणाम
