报告正文

研究背景与发表信息

本文为一篇关于金刚石-铜复合材料的原创研究论文，题目为“Comparative Study on the Properties and Microscopic Mechanism of Ti Coating and W Coating Diamond-Copper Composites”。研究由Shuhui Huang、Hong Guo、Zhen Zhang等研究人员完成，隶属于中国北京有色金属研究总院（State Key Laboratory of Nonferrous Metals and Processes, Grinm Group Co., Ltd.）及Grinm Group Co., Ltd所下属的工程研究中心。论文发表在期刊《Materials Research Express》第7卷（2020年），DOI为https://doi.org/10.¹⁰⁸⁸⁄₂₀₅₃-1591/aba55d。

研究背景及目的

本文研究针对金刚石-铜复合材料（diamond-copper composites）的界面机制开展。金刚石由于其高达1200-2000 W/(m·K)的导热系数和较低的热膨胀系数（2.3 × 10^(-6) K^(-1)），在热管理材料领域中具有重要地位。然而，由于金刚石和铜之间化学活性较低，界面结合强度不足，从而限制了其性能的充分发挥。近些年来，Ti和W等金属涂层被提出用于改善金刚石与金属基体之间的界面结合效果，但关于不同涂层厚度和类型对复合材料性能的具体贡献以及微观机理的研究尚不充分。

目标是通过对不同厚度的Ti涂层和W涂层改性后金刚石-铜复合材料的性能进行比较，深入研究涂层类型和界面微观结构对复合材料导热性能和弯曲强度的具体影响机理。同时，这将为界面改性技术的设计及复合材料工业应用提供理论支持和数据支撑。

研究流程和方法论

研究采用以下实验步骤与方法：

1. 材料制备：

   • 采用磁控溅射技术（magnetron sputtering）在金刚石表面沉积厚度为50 nm, 100 nm和150 nm的Ti涂层，以及100 nm的W涂层。
   • 涂层沉积的金刚石颗粒的粒径（d50）约为30 μm，基体材料为无氧铜，金刚石体积分数约为55%。

2. 压力浸渗：

   • 涂层改性后的金刚石在1373-1473 K温度范围内以20-30 MPa的压力制备成金刚石-铜复合材料。
   • 在浸渗和制备过程中，Ti与金刚石反应形成碳化钛（titanium carbide, TiC），W则通过高温转化形成碳化钨（tungsten carbide, WC）。

3. 表征与测试：

   • 使用扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）观察金刚石颗粒表面涂层形貌及复合材料断裂界面微观形态；
   • X射线衍射仪（XRD）用于分析涂层材料的相组成；
   • 依据中国国家标准（GB/T 22588-2008），测试复合材料的导热性能；
   • 通过Instron 5569万能材料试验机进行三点弯曲实验，以评估复合材料的弯曲强度。

4. 数据分析与微观机理探讨：

   • 气固界面的热性能和机械性能作为评价指标，同时探索界面改性材料的扩散、反应及微观性能特征。

研究主要结果

1. Ti涂层对复合材料的影响：

   • Ti涂层厚度越大，复合材料的弯曲强度逐步提高，最高达到624 MPa（150 nm涂层）。然而，导热性能却呈现“先上升后下降”的规律，在100 nm涂层厚度时导热率达到最高值412 W/(m·K)。
   • SEM观察表明，Ti涂层厚度的增加使界面结合强度增强，与弯曲强度实验结果一致。但较厚的Ti涂层导致过多的TiC生成，使得导热率下降。

2. W涂层对复合材料的影响：

   • W涂层制备的复合材料的弯曲强度为524 MPa，略低于100 nm Ti涂层的复合材料。
   • 然而，W涂层复合材料的导热率显著优于Ti涂层复合材料，达到530 W/(m·K)，提高约30%。这是由于WC的热导率高于TiC，且WC的粗糙表面有助于增加金属基体的界面面积，从而改善导热性能。

3. 微观机理分析：

   • Ti与Cu基体易形成固溶体，增强了界面结合强度，但TiC的热导率低于WC，进而限制其导热性能。
   • W不与铜形成固溶体，但通过WC的粗糙表面显著增强了界面传热效率。

4. 材料性能的优化：

   • 涂层厚度需达到适度以完全覆盖金刚石并形成连续的结合层，同时涂层不宜过厚，以避免热导性能的过度损失。

结论与价值

研究结果表明，涂层类型和优化后的厚度显著影响金刚石-铜复合材料的综合性能。Ti涂层适合提升复合材料的弯曲强度，而W涂层表现出更优异的导热性能。根据实验分析，涂层的微观机理为复合材料界面设计提供了重要参考，为工业化应用提供了理论和实践支持。

研究亮点

1. 创新性： 研究首次系统比较了Ti涂层与W涂层对金刚石-铜复合材料性能的影响，并通过微观机理分析揭示其内在差异。

2. 数据支持： 提供了不同涂层类型及厚度的详细实验数据，为金刚石-铜复合材料体系构建标准提供了依据。

3. 实际意义： 对高功率电子元件的散热材料设计具有重要应用价值，尤其是在低膨胀、高导热复合材料开发方面具有指导作用。

总结

该研究为界面改性工艺提供了深刻的见解，并促进了金刚石-铜复合材料在高性能电子封装领域中的实际应用与技术进步。