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激光粉末床熔融（LPBF）技术为制造复杂几何形状的铜部件开辟了新途径，有望在电力电子、热管理和先进推进系统中实现性能飞跃。然而，铜对近红外（NIR）激光的本征高反射率严重制约了其打印质量与效率，传统的工艺优化或更换短波长激光器往往面临成本高、效率低或材料纯净度受损等挑战。如何在保持铜高导电/导热特性的前提下，显著提升其LPBF可打印性，是领域内亟待突破的瓶颈。
2026年7月，伦敦大学学院Peter D. Lee教授、Chu Lun Alex Leung博士团队联合帝国理工学院、欧洲同步辐射装置（ESRF）等机构，在《Carbon》期刊发表题为“Synchrotron-informed process mapping of copper and copper with chemically modified graphene”的研究论文。该团队开发了一种化学改性石墨烯（CMG）添加剂，通过干法球磨与铜粉混合制备Cu-CMG复合粉末。结合原位同步辐射X射线成像、高保真计算流体动力学模拟及多尺度表征，团队系统绘制了涵盖50种参数组合的熔融模式、表面质量与缺陷工艺图谱，揭示了CMG增强近红外吸收、拓宽工艺窗口的关键机理。研究表明，仅添加0.2 wt%的CMG即可将最佳LPBF工艺窗口扩大3.5倍，良好表面光洁度参数范围增加2倍。该 研究为低近红外吸收材料的增材制造开辟了新路径，有望推动电动机、热交换器等新型产品应用的发展 。
01核心内容
该研究提出了一种“CMG增强吸收+同步辐射工艺图谱”的研究策略。通过改进Hummers法合成GO并还原为具有低光学带隙的CMG，再经干法球磨将其均匀涂覆于铜粉表面。研究核心在于利用高速同步辐射X射线成像与多物理场模型，精准关联工艺参数（激光功率P与扫描速度v）与熔池动态、缺陷演化及最终性能，绘制出涵盖“熔融模式”、“表面粗糙度”与“缺陷类型”的三维打印地图。CMG中大量离域π电子在近红外光激发下产生高效光热转换，使Cu-CMG熔池温度更高、更稳定，通过“热吸收增强-熔池稳定化-工艺窗口拓宽”的协同机制，实现了铜在低功率、中高速条件下的高质量打印，同时避免引入有害杂质。
02研究成果
1、均匀稳定的CMG涂层与增强吸收机制
团队通过ToF-SIMS、STEM-EDX和XPS等表征手段证实，CMG在铜粉表面形成均匀涂层，并在还原过程中有效恢复了sp²杂化结构，O/C比仅为0.173，具备低光学带隙。UV-Vis-NIR漫反射光谱显示，Cu-CMG粉末在1060-1080 nm波段的吸收率较纯铜提高约3倍。同步辐射原位成像和CFD模拟进一步证实，Cu-CMG的局部吸收系数（0.57）约为纯铜（0.15~0.20）的3~4倍。
2、显著拓宽的可打印性与表面质量窗口
基于50组激光功率（P）- 扫描速度（v）组合的单道打印实验表明：
（1）熔融模式：Cu-CMG缩小了“无打印”区域，将稳定匙孔加工窗口向低功率（150 W）和高速（>500 mm/s）方向显著扩展，工艺窗口扩大3.5倍；
（2）表面粗糙度：Cu-CMG的“光滑”轨迹参数范围较纯铜增加2倍，球化与波纹缺陷明显减少，归因于更稳定的熔池流动；
（3）缺陷控制：首次通过同步辐射时变成像揭示了“轨迹末端缺陷”（EOTD）的形成机制--由检流计减速时激光驻留导致匙孔膨胀、坍塌与凝固收缩共同作用，为工艺优化提供了新靶点。
3、激光重熔验证CMG的持续增强效应
在8层薄壁件的激光重熔实验中，纯铜在脱离SS316L基板稀释效应后几乎完全反射激光，仅发生烧结；而Cu-CMG始终保持匙孔熔融模式，熔池辐射强度显著更高，且未出现烧结特征。这直接证明CMG不仅在首次熔化时发挥作用，在后续层层堆积中仍能持续增强近红外吸收，确保多层打印的稳定性。
4、工艺-结构-性能关联的定量图谱
结合XCT三维缺陷成像和原位熔池几何量化，研究建立了“LED-熔池深度/宽度-缺陷类型-表面质量”的完整映射关系。发现CMG使平均匙孔深度增加（在LED=1600 J/mm下，从381 μm增至473 μm），深度波动减小，但气孔率与纯铜相近，说明CMG主要通过优化熔池热力学稳定性而非消除汽化来改善打印性。
图1 展示Cu-CMG原料合成步骤的工艺流程图。以改良Hummer法为起点，经氧化石墨烯还原，再与铜在球磨机中以干介质混合，制得用于激光粉末床熔融（LPBF）的Cu-CMG原料。颜色与左下角标注的化学混合物相对应。
图2 Cu-CMG粉末原料的化学表征。(A) Cu+和(B) C-的飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）离子分布图。(A)中的黑色圆圈表示铜粉末颗粒的位置。(C) 单个Cu-CMG粉末颗粒的扫描透射电镜-能量色散X射线谱（STEM-EDX），插图显示了铜（粉色）和碳（绿色）的分布。扫描透射电镜（STEM）和能量色散X射线谱（EDX）图像的比例尺均为250纳米。(D) Cu-CMG粉末原料的拉曼光谱，以及(E) C 1s的高分辨率X射线光电子能谱（XPS）。
图3 实验室打印研究中的可打印性过程图。代表性光学显微照片（OM）对比了铜（Cu）和铜-CMG材料的关键熔化模式，即（A）匙孔气孔、（B）稳定匙孔和（C）传导模式。注：（A）为200倍放大，（B-C）为400倍放大。通过光学显微照片和在线光学相机成像确定了（D）铜粉末和（E）铜-CMG粉末的熔化模式过程图。图D和图E中分别用红色、绿色和蓝色圆圈标注了铜及铜-CMG材料的代表性光学显微照片拍摄条件。
图4 验室打印研究得到的表面及缺陷工艺图.（A–B）纯铜和Cu-CMG在SS316L基板上的单层表面光洁度图。颜色图表示具有良好表面光洁度的轨迹的粗糙度值。注意，对于200 W和600 mm/s的参数组合，虽显示出波纹特征，但由于光滑表面光洁度数据点的插值需求，仍将其包含在内。（C）对应于（A-B）中四种表面分类的代表性高度图，方框颜色与各自的表面特征类别相对应。注意，四条轨迹的高度并不相等；轨迹的粉红色表示该轨迹的平均高度，而蓝色/蓝绿色则表示与平均高度的偏差。（D-E）分别为纯铜和Cu-CMG的匙孔气孔与轨迹末端缺陷（EOTD）分布图。（C）和（D）中的绿色区域叠加标示了与（A-B）中光滑表面轨迹相对应的工艺条件。（F）在400 W功率下、不同扫描速度下打印的Cu-CMG轨迹的代表性断层扫描图。在不同线性能量密度（LED）下形成的EOTD缺陷以红色显示。（F(i)）典型匙孔气孔的3D渲染图；（F(ii)）取自400 W、250 mm/s条件下打印轨迹的椭圆形亚表面EOTD的3D渲染图；（F(iii)）取自400 W、600 mm/s条件下打印轨迹的开放表面EOTD缺陷的3D渲染图。所有比例尺均为1 mm。
图5 Cu-CMG在LPBF过程中可打印性与缺陷形成的同步辐射研究。（A）通过熔池原位成像获得的熔融模式工艺图。黑色粗线和棕色虚线分别表示原位（薄基板）和非原位（厚基板）实验所确定的模式边界。（B–D）展示了所识别的四种熔融模式的射线照片。边框颜色对应图5A中的图例。（E）匙孔气孔和（F）轨迹末端缺陷的形成机制的时间序列射线照片。（B–F）中所示射线照片的比例尺均为100 μm。
图6 铜-CMG原料的近红外激光吸收增强特性：射线照片展示了（A）纯铜以及P=400W v=250mm/s（B）在激光重熔过程中激光与熔道的相互作用。紫色箭头和绿色线条分别表示匙孔气孔和熔池边界。光学图像显示（C）铜激光粉末床熔融中的粉末烧结体（以白色虚线标示），以及（D）铜-CMG激光粉末床熔融中的光滑熔道。（E-F）铜和CMG的典型成像光学相干断层扫描（IOC）图像，彩色标尺表示强度。（G）铜和铜-CMG在激光重熔过程中由在线光学相机捕获的平均灰度强度。（H）通过紫外-可见-近红外光谱法测得的铜和铜-CMG粉末的漫反射率。红色矩形表示入射近红外激光波段范围。
03总结与展望
这项工作最突出的价值在于用最低的材料改性代价撬动了最大的工艺兼容性红利：仅仅0.2 wt%的化学改性石墨烯掺杂，就在不改变设备硬件的前提下，系统性地打破了近红外LPBF成形纯铜的工艺僵局。
研究团队认识到，要将所提出的CMG添加剂从实验室规模扩展到大规模部件生产，多道次、多层打印条件至关重要，还需进行微观结构表征和力学性能测试，以研究Cu-CMG对打印件性能的影响。
信息来源：https://doi.org/10.1016/j.carbon.2026.121835
