这篇文章名为《Fabrication of high thermal conductivity copper/diamond composites by electrodeposition under potentiostatic conditions》，发表于《Journal of Applied Electrochemistry》期刊，刊号为2020年50卷631–638页，DOI为10.1007/s10800-020-01414-3，作者为Susumu Arai和Miyoka Ueda，来自日本信州大学材料化学系。本文报道了利用电沉积技术在恒电位条件下制备高导热性的铜/钻石复合材料。

研究背景

本文的研究方向属于材料科学领域，具体涉及铜和钻石复合材料的热导率提升。钻石因其极高的热导率而成为增强复合材料热导率的理想材料，尤其是在高温和高热负载的应用中。然而，由于铜等金属在熔融状态下难以湿润钻石表面，导致在传统的烧结和渗透法中，金属基体与钻石粒子之间常出现裂隙或空隙，从而降低复合材料的热导率。因此，如何在常温常压下形成具有较高热导率的铜/钻石复合材料，成为了研究的关键问题。

在以往的研究中，电沉积作为一种能在低温下控制金属沉积的技术，已经显示出其在金属/钻石复合材料制备中的潜力。本文旨在研究通过电沉积技术在恒电位条件下制备铜/钻石复合材料，并探索该方法的可行性及其热导率提升效果。

研究方法

本文的实验流程分为几个步骤，包括电沉积实验、表面形貌分析、热导率测试等。

1. 电沉积实验：首先，实验使用了含有不同粒径（10、25、45、230 μm）的钻石颗粒，钻石颗粒首先被沉积到铜电极上。在电沉积过程中，研究了电流密度与电位之间的关系，探索了在不同条件下铜的电沉积行为。研究采用了恒电位法（potentiostatic conditions），确保在沉积过程中不会产生氢气，从而避免氢气对钻石颗粒排列的干扰。

2. 电化学测量：为了准确掌握电沉积过程中的电流密度变化，本文采用了电化学测试手段，包括Tafel图和周期电流法。研究还在不同的过电位下进行了铜的电沉积，确保电流密度控制在不引起氢气析出的范围内，从而保证电沉积的平稳进行。

3. 热导率测试：铜/钻石复合材料的热导率是本文的核心测试项目。通过Xenon激光闪光热物性分析仪（LFA 447-2 Nanoflash），测量了不同粒径钻石颗粒含量的复合材料的热扩散率，从而计算出热导率。热导率的测试显示，铜/钻石复合材料的热导率随着钻石粒径的增大而提高，最大值达到600 W·m^−1·K^−1，比纯铜高出1.5倍。

4. 表面形貌分析：通过扫描电子显微镜（SEM）观察了电沉积后铜/钻石复合材料的表面和截面形貌。结果显示，电沉积过程有效地填充了钻石颗粒之间的空隙，形成了致密的复合材料结构，没有出现裂隙或气泡，确保了材料的高热导性能。

研究结果

1. 电流密度与过电位关系：研究表明，在常规的恒电流条件下，铜的电沉积过程会受到钻石颗粒层表面面积变化的影响，导致电流密度的不稳定。在恒电位条件下，电流密度控制得以优化，从而避免了氢气析出的现象，保证了铜层沉积的均匀性。

2. 铜/钻石复合材料的热导率：实验中，加入不同粒径钻石颗粒的复合材料表现出不同的热导率。特别是当钻石颗粒的体积分数达到49%时，且钻石颗粒的粒径为230 μm时，复合材料的热导率达到了600 W·m^−1·K^−1，远高于纯铜（约400 W·m^−1·K^−1）。这一结果表明，电沉积法能够有效地提高铜/钻石复合材料的热导率。

3. 微观结构分析：通过SEM分析发现，电沉积后的铜/钻石复合材料具有紧密的结构，铜与钻石颗粒之间没有明显的空隙或裂纹，表明电沉积技术能够在常温常压下实现高质量的铜/钻石复合材料制备。

研究结论

本文通过电沉积技术成功制备了高热导率的铜/钻石复合材料，证明了电沉积技术在复合材料制备中的优势。与传统的高温高压烧结方法相比，电沉积技术不仅能够在常温下实现金属与钻石颗粒的结合，还能够避免氢气析出等问题，制备出的复合材料具有优异的热导性能。研究结果表明，使用恒电位法制备铜/钻石复合材料能够有效避免氢气析出，形成致密的复合结构，进而提高复合材料的热导率。

研究意义

本研究为铜/钻石复合材料的制备提供了新的方法和思路，尤其是对于那些要求高导热性能的应用场景，如高功率电子设备的散热系统等，具有重要的应用价值。此外，电沉积技术的低温、低压制备条件，也为其他金属/钻石复合材料的制备开辟了新的研究方向。

研究亮点

1. 新颖的电沉积方法：本文创新性地采用了恒电位电沉积方法，有效避免了氢气析出，保证了铜/钻石复合材料的高质量。

2. 高热导率复合材料的成功制备：研究表明，铜/钻石复合材料在高钻石含量（49%）和大粒径钻石（230 μm）条件下表现出了显著的热导率提升，达到600 W·m^−1·K^−1，远超纯铜的热导率。

3. 致密的复合结构：通过SEM表征，确认了铜/钻石复合材料的致密结构，未出现任何裂隙或气泡，表明电沉积技术在复合材料制备中的优势。

其他重要内容

本文中的实验方法不仅适用于铜/钻石复合材料的制备，也有可能被应用到其他金属/钻石复合材料的研究中，具有广泛的应用前景和研究价值。