金刚石-金属复合材料的导热性能影响因素有哪些

金刚石-金属复合材料的导热性能影响因素有哪些

随着电子信息领域的高速发展，电子及半导体器件朝着小型化、轻量化、高效能发展。功率密度的显著增加造成了电子器件使用过程中产生的热流密度越来越大，如果不能及时散热，积聚的热量将会严重影响电子器件的工作稳定性和可靠性。因此，高效散热成为电子信息技术发展的主要问题。

金刚石增强金属基复合材料凭借热导率高、热膨胀系数适配和密度低等多种优势，在新型热管理材料中极具发展前景。而其导热性受多种因素的影响，包括复合材料的界面改性、工艺参数优化和复合材料制备方法等。

金 刚 石 颗 粒

在金刚石增强金属基复合材料中，金刚石作为增强相，凭借其超高的导热性能，起到了提高复合材料热导率的作用。随着基体中金刚石数量的增多，颗粒之间相互接触在金属基体中构建起连续的导热通路并形成连贯的导热网络，拓展了热量载体的运动路径和范围，使金刚石颗粒的高导热性能得到更加充分的发挥。图1中箭头标记处直观展示了导热通道的成功构建。同时，研究发现，采用不同粒径大小的金刚石颗粒混合比只采用一种粒径的金刚石颗粒烧结制成的复合材料热导率更高。

界 面 改 性

界面改性的方法主要有基体合金化和金刚石表面金属化，金刚石表面金属化大致可分为2类：

1）通过化学镀或电镀在金刚石表面镀上一层非碳化物形成元素（如Cu）；

2）在金刚石表面镀上一层可形成碳化物的元素（如Ti，Cr，W等），然后利用退火处理或等离子体表面合金化等高温涂层技术，使金属层在界面处与金刚石发生反应。

金刚石表面金属化的主要方法为化学镀法、磁控溅射法、真空微蒸镀法、盐浴法等。

基体合金化是指制备复合材料之前，在基体中加入适量的合金元素，改善金属基体与金刚石之间的润湿性，促使金刚石/金属界面发生反应形成碳化物，提高界面结合强度和导热系数。

未经改性的金刚石/金属基复合材料断口形貌中的金刚石表面是光滑的，并且与基体没有粘附，断裂多发生在弱界面结合处；改性后，复合材料中的金刚石颗粒与基体的附着性更好，基体往往发生塑性断裂，复合材料的界面结合强度高于金属基体固有的断裂强度。

工 艺 参 数

提高界面的导热性是金刚石增强金属基复合材料研究的关键问题。通过复合材料界面改性，能有效改善界面湿润性，提高界面的导热性。此外，温度、压力、烧结时间等工艺参数也是影响热导率的主要因素。
   保 温 时 间

高温可以缩短金刚石与金属基体界面之间的距离，熔化金属以填充金刚石之间的间隙。在高温条件下，自由碳原子的数量增加，界面反应增强。保温时间会影响金刚石与金属基体的接触时间，较短的保温时间不利于金属与金刚石之间的扩散反应，但较长的保温时间会导致过量碳化物的产生，使应力集中在金属基体上，造成损伤。因此，选择合适的保温时间能获得更优的界面碳化物沉积层、减少孔隙率、提高致密度、改善界面结合性能，提高复合材料的热导率。
    烧 结 温 度

成型温度会直接影响两相组分的本征属性，改变金刚石与金属基体的扩散反应，因此选择合适的成型温度能起到调整反应作用程度、控制中间相物质形成的作用。不同的金刚石增强金属基复合材料对烧结温度的敏感度表现不同。总的来说，适当提高烧结温度有利于减少孔隙率，改善界面结合性能，提高机械强度，从而获得更高的热导率。
    压 力

金刚石在高温高压条件下容易发生石墨化，由金刚石转变为石墨。提高压力可增加原料颗粒之间的接触面积和接触力，有助于金刚石颗粒之间更紧密地结合，减少石墨化现象的发生。
    热 处 理

热处理可以提高金刚石颗粒与金属基体之间的结合强度，促进金刚石颗粒与基体之间的相互扩散，衍生互相结合的化合物，从而提高界面的结合强度。适当的热处理还可改善金刚石金属基复合材料的晶体结构和晶粒尺寸分布，消除制备过程中形成的内部缺陷，提高材料的稳定性、韧性和耐磨性。

随着电子设备集成化程度越来越高，对高导热封装材料的需求也越来越大。要实现金刚石增强金属基复合材料的大规模生产应用，需要找到合适的工艺参数和制备方法，使其既具备高导热性，又能最大限度地降低制造成本。

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