高热导率和强界面结合力的热锻Cu/Ti涂层金刚石复合材料研究报告

研究作者及机构信息

该研究的主要作者为L. Lei、L. Bolzoni和F. Yang，研究机构是新西兰怀卡托大学（University of Waikato）的Waikato Centre for Advanced Materials and Manufacturing，隶属于该校的工程学院（School of Engineering）。该研究发表于2020年，发表在Carbon期刊（volume 168, pages 553-563）。通讯作者为F. Yang（email: fei.yang@waikato.ac.nz）。

学术背景及研究目的

该研究聚焦于电子元件的热管理材料领域。随着电子元件的高度集成化和小型化，其功率密度显著提高，热管理问题成为一个极其关键的技术挑战。如果设备的工作温度过高，会显著影响其寿命和可靠性。铜/金刚石复合材料由于具备优异的热导率（Thermal Conductivity, TC）及可以调控的热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE）而被认为是潜在的理想散热材料。

传统热管理材料不仅需要高热导率来迅速散热，还要具备良好的机械性能以承受加工装配中的应力变化及热疲劳。然而，目前对于铜/金刚石复合材料的研究主要集中在提升热导率的技术上，对于复合材料界面层对机械性能的影响研究较少。本文的目的是填补这一空白，通过热锻技术制备铜/钛涂层金刚石复合材料并系统研究其界面层结构与复合材料的机械和热物理性能的关系，从而为开发具有高机械性能和热物理性能的热管理材料提供科学依据。

研究流程与方法

制备流程

1. 研究样品的选择与制备
   使用的原材料包括纯铜粉末（纯度为99.7%，粒径<45 μm）和MBD8型金刚石颗粒（粒径70-80 μm），并在金刚石颗粒表面通过磁控溅射技术涂覆了一层50 nm厚的钛涂层。图1展示了涂覆后金刚石颗粒的显微结构。

2. 复合材料的热锻制备
   将钛涂层金刚石颗粒与纯铜粉末按比例（Cu-55 Vol% Diamond）混合，在V型混料机中以60 rpm的转速混合90分钟，再使用机械压力在室温下冷压成直径30 mm、高37 mm的紧密预制体。然后分别在800℃与1050℃的条件下，于氩气保护下将冷压预制体进行热锻，并锻造成圆盘形“煎饼”。

测试与表征

1. 相组成与界面分析
   通过X射线衍射（X-ray Diffraction, XRD）分析材料的相组成，并使用X射线光电子能谱（XPS）对界面层表面进行化学元素和化学键态的分析。

2. 显微结构与拓扑分析
   通过扫描电子显微镜（SEM）、电子探针（EDS）、原子力显微镜（AFM）表征复合材料的显微结构，以及提取金刚石颗粒表面形成的界面层的表面形貌。

3. 力学性能测试
   利用三点弯曲测试（three-point bending test）评估复合材料的弯曲强度（Flexural Strength）和变形能力。

4. 热物理性能测试
   用激光闪光法测量材料的热扩散率（Thermal Diffusivity），并结合密度和比热容计算样品的热导率。同时通过膨胀仪表测试材料在298-573 K之间的热膨胀系数。

主要结果与分析

界面层特性

• 在800℃条件下制备的复合材料（简称800-Cu/55Dia）的钛层与金刚石反应生成TiC界面层，覆盖率达96%；相较之下，1050℃条件（简称1050-Cu/55Dia）生成的界面层覆盖率仅为70%。
  
• 800-Cu/55Dia的界面层表现为纳米球状TiC颗粒，均匀分布并形成粗糙表面，提高了界面的机械结合力；而1050-Cu/55Dia中，界面层表面较为光滑平整，并表现出严重剥落现象，这导致其界面结合力显著降低。

机械性能

• 800-Cu/55Dia复合材料的弯曲强度为418 MPa，较1050-Cu/55Dia材料的169 MPa高出约148%。同时，800-Cu/55Dia的最大挠度为0.3 mm，是1050-Cu/55Dia的两倍。
  
• SEM断裂面分析显示，800-Cu/55Dia的断裂主要表现为金刚石的穿晶断裂与铜基体的韧性断裂，说明界面结合力强，可有效传递应力；而1050-Cu/55Dia的断裂则主要发生在Cu与金刚石界面，伴随大量界面脱粘和孔隙的生成。

热物理性能

• 800-Cu/55Dia的热导率为550 W/mK，接近其理论值的99%，显著优于1050-Cu/55Dia（162 W/mK）和未添加金刚石的纯铜基体（224 W/mK）。
  
• 800-Cu/55Dia的热膨胀系数为7 × 10⁻⁶/K，低于纯铜17 × 10⁻⁶/K的理论值，更适配电子封装中硅芯片的热膨胀系数。

工艺参数与性能影响

• 高温（1050℃）锻造尽管促进了金刚石表面TiC晶粒的长大，但破坏了界面层的完整性。快速冷却条件下，因热膨胀系数不匹配导致内部应力集中于界面附近，增加了界面层剥离风险。
• 800℃锻造确保了界面层纳米颗粒的分布均匀性并提供了有效的机械互锁作用，从而实现了较为理想的力学特性与热物理性能。

研究结论与意义

该研究通过热锻技术制备Cu/Ti涂层金刚石复合材料，优化了钛碳化物（TiC）界面层的形成条件，系统揭示了界面层形貌及强度对复合材料机械与热物理性能的影响机制。成果显示，采用适宜的锻造温度（800℃）可同时实现高机械与热导性能，为高功率密度、高散热需求的电子封装应用提供了重要的材料解决方案。这项工作不仅为界面设计及制备工艺优化提供了理论指导，同时也验证了热锻技术的高效性及成本优势。

研究亮点

1. 成功制备了覆盖率96%、具有强结合力的纳米级钛碳化物界面层。
   
2. 提供了工艺优化的关键参数（800℃锻造温度），避免了界面层剥落现象。
   
3. 热导率达到理论值的99%，展现了优异的热传导特性，同时具有良好的机械韧性。
   
4. 提出了界面强化与热传递增强的多维机制，为未来铜基复合材料的设计提供了启发。