中國(guó)粉體網(wǎng)訊  近日，中南大學(xué)馬莉團(tuán)隊(duì)提出了一種結(jié)合控制界面層厚度的界面設(shè)計(jì)策略，通過(guò)磁控濺射結(jié)合氣壓浸滲技術(shù)，在金剛石/銅界面構(gòu)建了WC-(Zr,W)C梯度界面層，同時(shí)提高了金剛石/銅復(fù)合材料的傳熱能力、熱膨脹匹配性和熱穩(wěn)定性。

金剛石/銅復(fù)合材料的制備過(guò)程示意圖

當(dāng)濺射時(shí)間至45分鐘時(shí)，復(fù)合材料熱導(dǎo)率達(dá)到743W/(m·K)，是未涂層樣品的1.3倍；熱膨脹匹配方面，復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)降至4.5×10^-6K^-1，與半導(dǎo)體材料實(shí)現(xiàn)良好匹配，這極大降低了芯片工作過(guò)程中的熱應(yīng)力；還有熱穩(wěn)定性突破，經(jīng)100次熱循環(huán)（218-423K溫度范圍）后，仍保持較高的熱擴(kuò)散系數(shù)，達(dá)到244.9mm²/s，熱擴(kuò)散系數(shù)僅下降20.7%。

（a）橫向周期模型;（b）金剛石（111）/Cu（111）和（c）金剛石（111）/WC（0001）/CuZr（111）的界面結(jié)構(gòu)模型

隨著電子元器件向集成化、小型化和高功率化發(fā)展，散熱問(wèn)題日漸突出。開(kāi)發(fā)具有優(yōu)異熱性能的熱管理材料以實(shí)現(xiàn)高效散熱是電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題。銅是一種成熟的電子封裝材料，價(jià)格低、加工性能好；金剛石單晶的熱導(dǎo)率可達(dá)到2200W/(m·K)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料，其在高溫環(huán)境中也能夠保持出色的導(dǎo)熱性能。而金剛石/銅復(fù)合材料能夠更好地結(jié)合金屬基體和金剛石增強(qiáng)相的優(yōu)勢(shì)，成為新一代極具發(fā)展?jié)摿Φ臒峁芾聿牧稀?/p>

增強(qiáng)體與基體之間的界面是熱載體傳輸和熱應(yīng)力釋放的關(guān)鍵橋梁。然而，金剛石固有的化學(xué)惰性以及金剛石/銅界面的不潤(rùn)濕性，可能會(huì)導(dǎo)致不良的界面熱阻。此外，金剛石與銅基體之間存在顯著的熱膨脹系數(shù)不匹配問(wèn)題，這會(huì)在熱循環(huán)過(guò)程中導(dǎo)致嚴(yán)重的界面熱應(yīng)力集中，從而縮短其使用壽命。在金剛石/銅復(fù)合材料中，設(shè)計(jì)的界面層的物理特性及其與金剛石和銅基體的結(jié)合強(qiáng)度對(duì)熱物理性能有著至關(guān)重要的影響。

此次研究證實(shí)了引入WC-(Zr,W)C多級(jí)界面層有利于提高金剛石與基體的界面結(jié)合強(qiáng)度和聲子匹配。此外，金剛石/銅復(fù)合材料在熱沖擊后具有均勻分布的金剛石顆粒、較高的相對(duì)密度和孤立的孔隙，保證了其優(yōu)異的傳熱性能，這不僅解決了金剛石/銅復(fù)合材料的工程應(yīng)用難題，闡明了其強(qiáng)化機(jī)理的深入理解，而且為熱管理復(fù)合材料的界面層設(shè)計(jì)提供了新的視角。

參考來(lái)源：

1.崔露露：金剛石增強(qiáng)銅基導(dǎo)熱材料研究進(jìn)展

2.Materials Today Physics

3.陜西碳索

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/石語(yǔ)）

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