Feasibility of binder jetting for electrically conductive Cu-Al2O3 composites

The thesis investigates the fabrication of alumina–copper composites produced through Binder Jetting of alumina scaffolds followed by pure copper infiltration. The main objective is to obtain a hybrid material that combines the structural stability and thermal resistance of alumina with the electrical and thermal conductivity of copper. Particular attention is devoted to the intrinsic challenges of the infiltration process: during thermal treatment in air, copper tends to oxidize into cuprite (Cu2O) and tenorite (CuO), drastically reducing its conductive properties. At the same time, complete removal of oxygen prevents proper wetting and infiltration of copper into alumina, making the control of atmosphere and thermal parameters a critical aspect of the process. The manufactured composites are characterized in terms of microstructure, mechanical behavior, and functional properties, demonstrating the potential of Binder Jetting combined with controlled copper infiltration as a promising route for advanced applications, requiring both structural integrity and efficient heat and electrical conduction.

Questa tesi indaga la fabbricazione di compositi allumina–rame ottenuti mediante Binder Jetting di strutture porose in allumina, seguito da infiltrazione con rame puro. L’obiettivo principale è quello di ottenere un materiale ibrido in grado di combinare la stabilità strutturale e la resistenza termica dell’allumina con la conducibilità elettrica e termica del rame. Particolare attenzione è dedicata alle criticità intrinseche del processo di infiltrazione: durante i trattamenti termici in aria, il rame tende a ossidarsi formando cuprite (Cu2O) e tenorite (CuO), con una conseguente drastica riduzione delle sue proprietà conduttive. Al contempo, la completa eliminazione dell’ossigeno ostacola il corretto bagnamento e l’infiltrazione del rame nell’allumina, rendendo il controllo dell’atmosfera e dei parametri termici un aspetto cruciale del processo. I compositi realizzati sono caratterizzati in termini di microstruttura, comportamento meccanico e proprietà funzionali, dimostrando il potenziale della combinazione tra Binder Jetting e infiltrazione controllata di rame come strategia promettente per applicazioni avanzate, che richiedono sia integrità strutturale sia un’efficiente conduzione termica ed elettrica.