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作者与机构

该研究的主要作者包括：Arina V. Ukhina、Dina V. Dudina、Maksim A. Esikov、Dmitrii A. Samoshkin 和 Sergei V. Stankus。他们分别来自俄罗斯科学院西伯利亚分院的固态化学与机械化学研究所（Institute of Solid State Chemistry and Mechanochemistry）、拉夫连季耶夫流体动力学研究所（Lavrentyev Institute of Hydrodynamics）以及库塔捷拉泽热物理研究所（Kutateladze Institute of Thermophysics）。该研究发表于Journal of Composites Science，2023年5月26日。

学术背景

该研究属于材料科学领域，特别是金属基复合材料的热导率研究。随着微电子技术的快速发展，电子设备的高效散热材料需求日益增加。铜（Cu）和铝（Al）作为传统散热材料，其热导率（铜约为400 W·m⁻¹·K⁻¹，铝约为250 W·m⁻¹·K⁻¹）已不能满足高性能设备的需求。人造金刚石（diamond）因其较高的热导率（高于铜）和较低的热膨胀系数，成为一种有潜力的散热材料。然而，金刚石颗粒与金属基体之间的润湿性（wettability）较差，导致界面热阻增加，影响复合材料的热导率。为了解决这一问题，研究团队通过向铜基体中添加碳化物形成金属（如钨W、钼Mo、铬Cr、钛Ti），改善金刚石颗粒与铜基体的界面润湿性，从而提高复合材料的热导率。

研究的核心目标是探索不同碳化物形成金属（W、Mo、Cr、Ti）对铜-金刚石复合材料微观结构和热导率的影响，并比较不同烧结方法（如火花等离子烧结SPS和热压烧结HP）对复合材料性能的影响。

研究流程与方法

研究流程分为以下几个步骤：

1. 材料准备：

   • 使用合成金刚石颗粒（MBd10，粒径100 µm）和铜粉（PMS-1，平均粒径40 µm）作为原料。
   • 添加的碳化物形成金属包括钛（Ti）、铬（Cr）、钼（Mo）和钨（W），浓度分别为0.15、0.35、0.7和2 vol.%。

2. 粉末混合：

   • 将金刚石、铜粉和添加剂按比例混合，使用研钵充分研磨。

3. 烧结制备：

   • 采用火花等离子烧结（SPS）和热压烧结（HP）两种方法制备复合材料，烧结温度为920°C。
   • SPS实验中，使用Labox 1575设备，保温时间为3分钟和10分钟。
   • HP实验中，使用自制设备，保温时间为15分钟。
   • 在两种方法中，均施加40 MPa的单轴压力，SPS在真空条件下进行，HP在氩气氛围下进行。

4. 微观结构与成分分析：

   • 使用扫描电子显微镜（SEM, Hitachi TM-1000）观察复合材料的微观结构。
   • 使用X射线衍射（XRD, Bruker D8 Advance）分析样品的相组成，并通过Rietveld精修技术（Topas 4.2软件）确定铜的晶体结构参数。

5. 热物性测试：

   • 使用激光闪射法（LFA-427, Netzsch）测量复合材料的热扩散率。
   • 通过公式λ = a·ρ·Cp计算热导率，其中a为热扩散率，ρ为密度，Cp为比热容。

主要研究结果

1. 微观结构分析：

   • 添加钨（W）的复合材料中，铜-金刚石界面存在孔隙，随着钨浓度的增加，热导率先升高（0.7 vol.%时达到峰值203 W·m⁻¹·K⁻¹），随后下降。
   • 添加钛（Ti）的复合材料显示出更好的润湿性，钛的扩散促进了铜与金刚石界面的紧密接触，显著提高了热导率（0.7 vol.%时达到420 W·m⁻¹·K⁻¹）。

2. 相组成分析：

   • XRD结果显示，添加钨和钼的复合材料中检测到相应的金属峰，而添加铬和钛的样品中仅检测到铜和金刚石的峰，表明铬和钛的浓度较低，难以通过XRD检测。

3. 热导率比较：

   • SPS方法制备的复合材料热导率普遍高于HP方法。例如，0.7 vol.%钛添加的样品在SPS中热导率为420 W·m⁻¹·K⁻¹，而HP中仅为178 W·m⁻¹·K⁻¹。
   • 高浓度钛（2 vol.%）会导致热导率显著下降，可能由于金刚石表面形成了钛碳化物（TiCx）涂层，增加了界面热阻。

结论与意义

研究结果表明，添加碳化物形成金属可以显著改善铜-金刚石复合材料的界面润湿性和热导率。其中，钛（Ti）因其在铜中的高溶解度，能够通过铜基体扩散到金刚石表面，形成更紧密的界面接触，从而显著提高复合材料的热导率。此外，SPS方法因其局部过热和电流效应，能够促进钛的均匀分布和扩散，进一步优化复合材料的热性能。

该研究为高性能散热材料的设计提供了重要的理论依据和实验数据，推动了铜-金刚石复合材料在微电子散热领域的应用。

研究亮点

1. 重要发现：钛添加剂显著提高了铜-金刚石复合材料的热导率，SPS方法在优化界面润湿性和热性能方面优于HP方法。
2. 方法创新：通过SPS和HP方法的比较，揭示了电流效应对扩散和界面润湿性的影响。
3. 应用价值：结果为微电子设备的高效散热材料开发提供了新的思路和技术支持。

其他有价值的内容

研究还分析了不同烧结条件下复合材料的相对密度和晶体结构参数，证明了钛添加剂对铜晶格参数的影响，并进一步探讨了碳化物的热力学稳定性及其对界面润湿性的作用机制。