研究报告

第一部分：研究的作者、机构及发表信息

本文题为《Effect of structural modification on the thermophysical properties of graphite films/diamond sandwich copper thermally conductive composite film》，主要作者包括 Tongle Liu、Junchen Huang、Qingyun Zhang、Dian Song、Bing Yang 和 Degan Xiong，通讯作者为 Qian Liu。研究分别来自湖南科技大学材料科学与工程学院、北京科技大学新材料技术研究所、国防科技大学先进陶瓷纤维与复合材料实验室以及湖南省高导热金属基复合材料工程研究中心。文章发表在国际期刊《Diamond & Related Materials》上，论文编号为 140 (2023) 110446，在线发布日期为 2023 年 9 月 27 日。

第二部分：研究背景及研究目标

随着微电子行业的快速发展，每单位面积的电子元器件数目迅速增长，导致器件内部的热流密度增加。如果不能及时散热，可能会导致电子元件及电路的损坏。因此，开发具备优秀热管理性能的材料成为急需解决的问题。传统的铜基散热材料由于热导率相对较高而备受青睐，但已难以满足新的需求。相比之下，石墨膜(Graphite Film)因其二维高导热率和低密度而在散热领域受到广泛关注。

然而，石墨膜自身纵向热导率较低，限制了散热效果的进一步提高。为解决这一限制，本研究提出一种三明治型(sandwich-like)的复合膜结构，该结构结合了铜膜夹层、嵌入的金刚石(Diamond)颗粒和上下两层石墨膜，以打造高效散热通道。文中对这种复合膜的微观结构、界面的热物理特性以及其背后的热导增强机制进行了全面研究。研究的目标是探索这类材料在热管理中的潜在价值，并为后续相关领域的应用提供方法指导。

第三部分：研究流程及实验设计

研究包含以下主要程序：

1. 原始材料的选择与表征

   • 研究选用了以下原材料：平均粒径为300 μm的金刚石颗粒（密度3.5 g/cm³，由黄河旋风公司生产）、厚度约为77 μm的石墨膜（由苏州大盛电子材料有限公司提供，密度1.7 g/cm³）、平均粒径10 μm的铜粉（纯度99.7%，由邢盾合金焊材喷涂有限公司生产），以及平均粒径10 μm的钨粉（由无锡菲尔康新材料科技有限公司生产）。
   • 使用场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）观察各原材料的微观形貌，例如图中分别展示了金刚石表面物理气相沉积涂层、盐浴镀钨石墨膜表面、铜粉及钨粉的扫描电镜照片。

2. 表面涂层处理

   • 金刚石表面处理：采用物理气相沉积（PVD）方法镀钨。清洗后，使用磁控溅射技术在高真空环境下进行镀层，溅射功率为400 W，时间为4小时，后续经热处理（900 ℃，时间2小时）使涂层均匀扩散。
   • 石墨膜表面处理：使用盐浴镀钨工艺。石墨膜经过去油、轻微打磨和表面清洗后，在1000 ℃高温下通过烧结形成薄钨涂层。这些表面涂层增强了石墨膜与铜层之间的界面结合力。

3. 复合膜的制备

   • 将钨镀金刚石颗粒与高纯铜粉通过行星球磨（速度400转/分钟，时间4小时）均匀混合，并置入石墨模具。
   • 复合膜制造过程采用真空热压烧结工艺，在980 ℃、20 MPa压力下保温1小时。通过涂钨石墨膜分别覆盖混合粉体上下表面形成三明治结构。
   • 压制好的样品厚度约为0.4 mm。

4. 样品表征与热导测试

   • 通过FE-SEM观察复合膜的横截面结构，分析金刚石在石墨膜和铜膜中的嵌入形貌。
   • 利用激光导热仪测量复合膜的热扩散系数(α)，并结合密度与比热容数据计算出复合膜的热导率。
   • 使用原子力显微镜(AFM)评估复合膜表面的平整度，模拟和量化相关热流传导机制。

第四部分：研究主要结果

1. 微观结构分析

   • 三明治结构中的金刚石颗粒均匀分布，形成了连接上下两层石墨膜的热传导通道。
   • 在20 MPa压力条件下，石墨膜表面生成深度为20–30 µm的均匀坑洞，既保证了机制性结合，也尽量减少了石墨膜固有导热率的降低。

2. 热导率性能

   • 在20 MPa压力条件和30 vol%的金刚石体积分数下，复合膜的面内热导率达780 W/(m⋅K)、面外热导率为211 W/(m⋅K)，相比无连接结构样品，分别提高了约20%和200%。

3. 表面改性增强界面结合力

   • XRD和拉曼光谱表明界面生成了钨碳化物（如WC、W2C）的化学结合层，这种转变显著提升了界面的热传导性能，与模拟结果一致。

4. 热流传导模拟

   • 热流模拟结果显示，金刚石作为纵向高热导通道，有效减少了界面热阻。在1.13×10⁻⁷ m²·K·W⁻¹的总热阻范围内，连接结构与无连接结构相比差异显著。

5. 机械性能

   • 在优化压力和金刚石体积分数下，复合膜的弯曲强度达到了125 MPa，同时具有优越的机械稳定性。

第五部分：结论及研究价值

本研究在金刚石和石墨膜之间构建了有效的热连接通道，显著提升了复合膜的热管理性能。研究结果展示了一种具有潜力的高效热导材料制备方法。这种材料既具有良好的热导率，也保持了令人满意的机械性能，可广泛应用于电子封装和散热管理领域。

第六部分：研究亮点

1. 原创性：首次将三明治结构材料与金刚石热连接相结合，用于开发高效散热通道。
2. 方法创新：通过PVD和盐浴涂层技术优化界面结合，成功生成化学结合层。
3. 性能卓越：材料展现出面内与面外散热的显著提升，解决了传统石墨膜的纵向热导局限性。

第七部分：其他有价值内容

研究方法中，通过调整压力控制石墨膜性能与界面结合的策略，为提高材料热导与力学性能的协同优化提供了新思路。同时，研究全面分析了不同金刚石含量对热导和机械性能的影响，为实际应用提供了理论和实验依据。