[发明专利]一种纳米铜粉烧结体致密度理论演绎的实现方法

说明书

本发明公开了一种纳米铜粉烧结体致密度理论演绎的实现方法，包括以下步骤：(1)确定激光烧结铜粉的初始晶体结构、形状和粒度；(2)采用分子动力学材料计算方法，计算纳米铜粉的理论熔点；(3)建立纳米铜粉颗粒的理论模型，并在模型内部挖取规则形状的块体，作为烧结模拟实验对象模型；(4)采用分子动力学材料计算方法，在烧结温度T_烧结和时长t的条件下进行恒温烧结模拟实验；(5)继续对烧结体进行降温烧结模拟实验，直到烧结温度降至室温，模拟实验结束；(6)模拟实验结束后，得到烧结体的理论模型；(7)根据指定表达式计算得到烧结体的致密度。本方法具有可靠性，减少实验量，显著降低摸索铜粉3D打印工艺的成本，提高研发效率。

技术领域

本发明属于粉末冶金领域，特别涉及一种纳米铜粉烧结体致密度理论演绎的实现方法。

背景技术

3D打印属于增材制造方法，通过三维打印方式逐层将材料叠加制得所需要的产品。3D打印不需要使用模具，在制造个性化、非大批量产品方面具有天然优势。其中3D打印铜制品可广泛用于电子、电力、能源、化工、汽车、机械和高能物理等领域。激光烧结是金属材料3D打印的主流工艺方法。但是金属铜具有高反光、高导热特性，使其3D打印的难度大、能耗高。

利用纳米材料的尺寸效应是解决铜粉3D打印难题的可行途径之一。当金属铜粉粒度达到纳米级，熔点显著降低，可有效降低打印能耗。但是纳米铜粉表面能和催化活性高，其3D打印产品的制备实验存在设备要求高、成本高、难度大等问题，尤其需要花费大量人力物力探索纳米铜粉的激光烧结工艺。致密度是粉末冶金制品的重要指标参数，采用先进的材料计算手段，寻找一种快速、低成本的方法来实现纳米铜粉烧结体致密度的理论演绎、表征与预测，具有非常重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米铜粉烧结体致密度理论演绎的实现方法，能够快速、低成本地实现纳米铜粉烧结体致密度的理论演绎、表征与预测，显著降低摸索铜粉3D打印工艺的成本，提高研发效率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种纳米铜粉烧结体致密度理论演绎的实现方法，该方法包括以下步骤：

(1)确定激光烧结纳米铜粉的初始晶体结构、形状和粒度；

(2)针对步骤(1)确定的纳米铜粉参数，采用分子动力学材料计算方法，计算纳米铜粉的理论熔点T_熔点；

(3)建立纳米铜粉颗粒的理论模型，并在模型内部挖取规则形状的块体，作为烧结模拟实验对象模型；

(4)采用分子动力学材料计算方法，对步骤(3)中所述烧结模拟实验对象，在烧结温度T_烧结和时长t的条件下进行恒温烧结模拟实验；

(5)根据步骤(4)中所述恒温烧结模拟后，继续对烧结体进行降温烧结模拟实验，直到烧结温度自T_烧结降至室温T_室温，烧结模拟实验结束；

(6)模拟实验结束后，得到烧结体的理论模型；

(7)根据步骤(6)中所述烧结体的理论模型，依表达式计算得到烧结体的致密度，其中，V指烧结模拟实验结束后烧结体模型的总体积，V_i指烧结体内第i种晶体结构所有原子排列得到的体积，n表示有n种晶体结构的原子。

在本发明的方法中，步骤(1)中所述铜粉初始晶体结构为面心立方，形状为球体、立方体或多面体，铜粉颗粒粒度范围为100纳米以下。

在本发明的方法中，步骤(2)中所述纳米铜粉的熔点计算方法主要包括固液两相法、能量-温度法和体积-温度法。

在本发明的方法中，步骤(2)、(4)、(5)中分子动力学计算均在恒定压强条件下进行。