作者及所属机构： 本文由以下研究人员和机构完成：Dou Wenjie（郑州大学）、Zhu Congxu（许昌大学）、Wu Xiwang（河南黄河旋风有限公司）、Yang Xun（郑州大学）、Fa Wenjun（许昌大学）、Zhang Yange（许昌大学）、Tong Junfeng（河南黄河旋风有限公司）、Zhu Guangshan（东北师范大学）、Zheng Zhi（许昌大学）。该研究发表于期刊《Carbon Energy》，于2023年2月1日接收，2023年3月13日修订，2023年3月22日接受，DOI号为10.1002/cey2.379。
学术背景： 随着超大规模集成电路（VLSI）领域的快速发展，散热已成为限制高密度集成芯片发展的一个重要因素。在此背景下，热导率较高且热膨胀系数较低的钻石/铜复合材料因其优异的热管理性能受到广泛关注。钻石与铜材料的复合体在提升电子元件的热散效能方面具有重要应用价值，但由于钻石和铜之间较高的界面能，二者的结合往往不理想，这会影响热传导效率。因此，优化钻石/铜界面，提升二者的界面结合力，成为热管理领域亟待解决的问题。
本研究的目标是通过表面改性技术提高钻石颗粒与铜基体之间的界面结合力，从而提升钻石/铜复合材料的热导率，尤其是探讨钨碳化物（W–WC–W2C）渐变层涂层的应用，以改善界面热传输效率。
研究工作流程： 本研究主要通过以下几个步骤进行：
钻石颗粒表面改性： 本研究首先对钻石颗粒进行了表面处理，以去除其中的金属污染物和有机污染物。钻石颗粒在王水（HCl:HNO3=3:1）中处理3小时，然后使用丙酮、酒精和去离子水清洗，最后干燥。处理后的钻石颗粒通过直流磁控溅射法（DC magnetron sputtering）沉积钨（W）薄膜，沉积厚度约为80纳米。
钨涂层的热处理： 将涂覆有钨的钻石颗粒置于氩气气氛下，在700℃至1050℃之间进行热处理，以使钨与钻石表面发生反应，生成钨碳化物（WC和W2C）渐变层。通过控制热处理温度，成功获得了钨–钨碳化物（W–WC–W2C）渐变层涂层。
钻石/铜复合材料的制备： 经过表面改性的钻石颗粒与铜粉（99.99%纯度）按照不同质量比均匀混合后，使用冷压方法将其成型为圆柱形样品。然后在高温高压环境下进行烧结，烧结温度设置为950℃至1350℃，压力为6GPa，烧结时间为10分钟。此过程结合了高温高压技术，进一步增强了钻石与铜基体之间的界面结合力。
样品表征： 使用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、激光拉曼光谱（Raman）、X射线光电子能谱（XPS）等技术对改性后的钻石颗粒及其复合材料的微观结构和相组成进行了分析。通过这些表征方法，研究人员确认了钨涂层与钻石颗粒之间的界面反应生成了钨碳化物层，并探讨了不同热处理温度对涂层结构的影响。
热物理性能测试： 对制备的钻石/铜复合材料进行了热扩散率（thermal diffusivity）、热导率（thermal conductivity）和热膨胀系数（thermal expansion coefficient）等热物理性能的测试。通过对不同制备温度下的样品进行测试，研究发现钨涂层改性对复合材料的热导率和热扩散率有显著提升作用。
研究结果： 本研究的主要结果包括以下几个方面：
钨碳化物涂层的形成： 通过热处理，钨在钻石表面与钻石发生反应，生成了钨碳化物（WC和W2C）渐变层。XPS分析和XRD图谱表明，随着热处理温度的升高，W2C和WC的含量显著增加，最终形成了具有梯度结构的钨碳化物涂层。
钻石/铜复合材料的结构与密度： 经过表面改性的钻石颗粒在铜基体中的分布均匀，界面结合良好。通过高温高压烧结工艺，最终得到的钻石/铜复合材料的密度低于4 g/cm³，且相对密度达到99.08%，表明表面改性处理显著提高了材料的致密度。
热导率的提升： 经钨碳化物涂层改性的钻石/铜复合材料具有显著提高的热导率，最高可达655 W/m·K，比未改性的复合材料提高了55%。热扩散率测试表明，在950℃的热处理温度下，材料的热扩散率最高，可达到331 mm²/s，表明界面热传输效率得到了有效提升。
界面热传输机制： 通过有限元仿真和实验数据的结合，研究发现钨碳化物渐变层涂层能够有效减少界面热阻，提升电子–声子耦合的热传输效率。具体来说，钨碳化物涂层提供了一个良好的界面结构，减少了热载流子的散射，提高了热传递的效率。
结论与意义： 本研究提出了一种创新的钻石/铜界面改性方法，利用钨碳化物（W–WC–W2C）渐变层涂层改善了钻石和铜之间的界面结合力，从而显著提高了钻石/铜复合材料的热导率。实验结果表明，通过适当的热处理工艺，可以将材料的热导率提升至655 W/m·K，达到理论值的78.1%。此外，研究还提出了一种新的热导率密度比（TCD）参数，用于全面评价散热材料的热管理性能。最终，本研究为电子封装材料的热管理问题提供了一个新的解决方案，并为未来的高效散热材料的开发提供了有价值的参考。
研究亮点： 1. 采用钨碳化物（W–WC–W2C）渐变层涂层的创新方法，显著改善了钻石/铜复合材料的界面热传导性能。 2. 提出了新的热导率密度比（TCD）参数，为高效热管理材料的评价提供了新的思路。 3. 高温高压烧结技术和磁控溅射法的结合为工业应用中的热散材料制备提供了有力支持。
本研究的成果不仅具有重要的科学价值，也为电子器件的热管理提供了理论依据和技术支持，特别是在高密度集成电路等领域的应用前景广阔。