学术报告

本文标题为“Highly conductive diamond skeleton reinforced Cu-matrix composites for high-efficiency thermal management”，由Zengkai Jiao、Long Zhang、Zejun Deng、Haichao Li等作者完成，主要研究单位包括中南大学粉末冶金国家重点实验室、长沙理工大学材料科学与工程学院以及中南大学先进研究中心。该研究发表于《Applied Surface Science》期刊，论文编号为645 (2024) 158829，在线发布日期为2023年11月2日。

背景与研究目标

研究所面向的领域是热管理新材料的开发，特别是在高功率密度电子器件中，这类材料的作用在于高效散热以防止设备过热失效。传统的金属基复合材料（Metal Matrix Composites, MMCs）由于具有优异的热导率和可调的热膨胀系数，在此类应用中得到了广泛关注。钻石/铜基（Diamond/Cu）复合材料因其耐热性和优异的抗腐蚀性脱颖而出，然而，这类复合材料在提高热导性能方面仍面临许多瓶颈，特别是钻石颗粒与铜界面间的弱结合强度和高界面热阻（Interfacial Thermal Resistance, ITR）。此外，由于离散界面的形成和颗粒分散不均，传统复合工艺很难构建具有高效热传输的连续结构。

本研究提出以三维连续互连的钻石骨架（Diamond Skeleton, DS）替代传统分散的钻石颗粒来增强铜基复合材料的热导性能。通过引入具有高热导率的钨（Tungsten, W）过渡层改善钻石与铜之间的润湿性和界面热阻，研究还利用气体压力浸渗法（Gas Pressure Infiltration, GPI）制备了新型复合材料，旨在实现低钻石加载条件下的高热导性能。

研究流程与实验设计

研究流程主要包括以下几个阶段：

1. 钻石骨架的制备与处理：

   • 采用热丝化学气相沉积（Hot-Filament Chemical Vapor Deposition, HFCVD）法，在单晶硅片（直径150毫米，厚度0.6毫米）和铜泡沫骨架表面沉积高质量的钻石薄膜。
   • 真空蒸发技术（Vacuum Evaporation Technology, VET）用于在钻石表面沉积厚度约为300纳米的钨过渡层。

2. 三明治结构的构建与高温润湿性测试：

   • 用磁控溅射（Magnetron Sputtering）在钨涂层表面进一步沉积一层厚度约为1微米的铜层，形成Cu/W/Diamond三明治结构。
   • 在真空管式炉中进行高温润湿性测试，测试条件为1150°C、3000 Pa，保持时间20分钟。
   • 使用扫描电子显微镜（SEM）观察涂层形貌变化，同时测量润湿角以评估钻石与铜界面的润湿性能。

3. 复合材料的制备：

   • 将钨涂层的钻石骨架与铜基体通过气体压力浸渗法复合，制备成密实的复合材料。

4. 仿真实验与性能测试：

   • 使用Comsol Multiphysics 6.0中的固体热传模块进行有限元模拟，评估复合材料中钻石骨架的热传输效果。
   • 运用Raman光谱、X射线衍射（XRD）、能谱仪（EDX）等技术表征钻石质量及涂层分布。
   • 热扩散仪和Archimedes法测试复合材料的热导率和密度，并通过公式计算得出热导率增强效率。

实验结果与分析

1. 高温润湿性研究：

   • 实验结果显示，未涂覆钨层的钻石表面与纯铜之间的高温润湿角为108.6°，润湿性较差。
   • 涂覆钨层后，铜球可以均匀分布于钻石表面，润湿角显著降低至13.2°，显示出优异的润湿性能。
   • Raman光谱还表明，钨涂层在高温环境下能够有效抑制钻石表面的石墨化，保持其优越的热导性能。

2. 复合材料的微观结构和元素分布：

   • SEM显示，复合材料中钻石骨架均匀分布，形成了连续的网状热传输路径。钨元素主要集中在钻石与铜界面，充当了连接层。
   • EDX元素分布图确认了界面间的良好结合，没有出现明显裂隙。

3. 热导性能的显著提升：

   • 涂覆钨的钻石骨架/铜基复合材料在仅有18.4体积分数钻石含量时，其热导率达到575 W/mK，较纯铜提高了43.3%。
   • 与传统的分散钻石颗粒增强的铜基复合材料相比，该方法在较低钻石加载条件下提供了相当甚至更高的热导率。

4. 仿真实验验证：

   • 有限元模拟显示，与铜或分散钻石/铜复合材料相比，钻石骨架/铜复合材料中的连续热传通道大大提高了系统整体的温度均匀性，实验证实模型预测的热导率误差仅为4%。

研究结论及意义

该研究首次提出并开发了3D连续互连钻石骨架增强铜基复合材料的新方法，实现了低钻石加载条件下热导性能的显著提高。通过钨纳米层改性钻石表面，解决了传统钻石/铜复合材料中界面润湿性差和热阻高的问题，并成功构建了高效热传输路径。

这些研究为高功率密度电子元件的热管理材料设计提供了新思路，也可应用于其他领域，如热交换器、航空航天和高精密度仪器的热量控制等。此外，提出的基于连续骨架结构的方法为金属基复合材料领域的发展开辟了新方向。

创新点与研究亮点

1. 引入连续的钻石骨架，避免了离散颗粒界面引起的热导性能局限。
2. 通过钨涂层有效抑制钻石表面的石墨化，维持了高温条件下的热导性能。
3. 首次实现18.4%低钻石体积分数下达到575 W/mK的热导率，大幅度提升了材料的热导增强效率。
4. 结合3D互连结构和有限元仿真方法，验证了连续热传路径对材料性能的决定性贡献。

研究的应用价值与未来方向

本研究展示了高效热管理材料设计的新策略，特别是在需要低体积分数增强材料的场景中具有明显优势。未来可以进一步优化界面层设计及处理工艺，探索更多过渡层材料的效果，为更宽泛的热管理材料应用提供理论依据和技术支持。