本文的研究成果发表于《Materials Chemistry and Physics》期刊，文章标题为《Enhanced Thermal Conductivity in Diamond/Copper Composites with Tungsten Coatings on Diamond Particles Prepared by Magnetron Sputtering Method》，由Jinhao Jia, Shuxin Bai, Degan Xiong, Jing Xiao和Tingnan Yan等人完成，研究单位为中国国防科技大学航空科学与工程学院。该研究的发布时间为2020年6月18日，文章编号为123422。本文主要探讨了通过磁控溅射法在金刚石颗粒表面制备钨涂层，并研究了这种涂层对金刚石/铜复合材料的热导率和气密性的影响。

研究背景

金刚石/铜复合材料因其优异的热物理性能，在电子设备散热等高科技领域具有广泛应用前景。尽管如此，金刚石和铜之间的界面结合力较弱，导致了复合材料的热导率和力学性能的局限性。因此，提升金刚石/铜复合材料的界面性能，改善两者之间的结合性，成为当前研究的一个热点。以往的研究尝试通过不同的涂层材料，如碳化物金属（钨、铬、钼、钛等）来改进金刚石颗粒与金属基体之间的结合性，但这些方法或多或少存在着高温下的反应问题或者涂层厚度不均的问题。因此，如何精确控制涂层的厚度和微观结构，成为进一步提升金刚石/铜复合材料性能的关键。

在这项研究中，作者选用了磁控溅射技术来沉积钨涂层，目标是改善金刚石与铜基体之间的结合性，从而提升复合材料的热导率和气密性。磁控溅射法是一种已知的可以精确控制涂层厚度和结构的物理气相沉积方法，但钨涂层在金刚石/铜复合材料中的应用尚未得到充分的系统研究。

研究目的与实验方法

该研究的主要目的是探索不同厚度的钨涂层对金刚石/铜复合材料热导率和气密性的影响。具体而言，作者希望通过磁控溅射法制备具有不同涂层厚度（45 nm至300 nm）的金刚石颗粒，并分析这些涂层的微观结构、热导率以及气密性等性能参数，以期找到最优的钨涂层厚度，从而实现复合材料性能的最佳化。

实验过程中，作者首先通过磁控溅射法将钨涂层沉积在金刚石颗粒表面，涂层厚度分别为45、93、218和300 nm。然后，将涂层金刚石颗粒与铜进行压力渗透制备金刚石/铜复合材料。在这一过程中，作者详细观察了不同涂层厚度对复合材料微观结构的影响，并进行了热导率和气密性等性能测试。同时，研究人员还应用了热界面阻力理论模型，对不同厚度涂层的界面热阻进行了理论计算。

研究步骤与实验过程

1. 钨涂层的制备与表征
   首先，使用DC磁控溅射设备，在金刚石颗粒表面沉积钨涂层。涂层的厚度通过改变溅射时间来控制，具体沉积时间为90、180、360和540分钟，所得到的钨涂层厚度分别为45 nm、93 nm、218 nm和300 nm。通过扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）分析了涂层的表面形态，确认钨涂层均匀且无明显孔隙，表面粗糙度较低，有利于提高金刚石颗粒与铜基体之间的热导率。

2. 金刚石/铜复合材料的制备
   接下来，研究人员通过压力渗透法，在真空条件下将液态铜渗透进涂层金刚石颗粒床中，形成金刚石/铜复合材料。复合材料的体积分数约为65%，且所有实验组均在相同的石墨模具中进行制备，以消除准备过程中的影响。

3. 性能测试与数据分析
   制备完成后，作者通过扫描电子显微镜（SEM）观察复合材料的断裂表面，分析金刚石颗粒与铜基体的结合情况。热导率通过激光闪光法（LFA）测量，气密性则通过氦质谱泄漏检测仪进行测试。实验结果表明，涂层厚度对热导率和气密性有显著影响，较厚的涂层改善了复合材料的密实性，但过厚的涂层会导致热界面阻力增大，从而降低热导率。

4. 理论模型的应用与界面热阻分析
   使用Hasselman和Johnson模型（H-J模型）对不同涂层厚度的界面热阻进行了理论计算。研究发现，随着涂层厚度的增加，金刚石/铜界面的热阻值有所减小，但当涂层厚度超过218 nm后，热导率开始下降，主要原因是厚涂层导致了较大的界面热阻。

主要研究结果

1. 涂层对热导率的影响
   实验结果表明，金刚石/铜复合材料的热导率在钨涂层厚度为218 nm时达到最大值，为796 ± 11 W/m·K；而在涂层厚度为300 nm时，热导率有所下降，为731 ± 10 W/m·K。这表明，适当的涂层厚度可以有效降低界面热阻，从而提高复合材料的热导率，但过厚的涂层会引入额外的界面热阻，导致热导率下降。

2. 涂层对气密性的影响
   气密性测试结果显示，钨涂层较厚的复合材料具有更好的气密性，300 nm涂层的复合材料气密性为2.1 × 10^(-10) Pa·m³·s^(-1)，而45 nm涂层的复合材料气密性为5.1 × 10^(-8) Pa·m³·s^(-1)，表明较厚的涂层能有效提高复合材料的气密性。

3. 微观结构分析
   通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS），研究人员发现，涂层较薄的复合材料中，金刚石颗粒和铜基体之间的界面存在一定的空隙，导致金刚石颗粒从基体中脱落，而涂层较厚时，金刚石颗粒和铜基体的结合力增强，界面变得更加致密。

结论与意义

本研究表明，通过磁控溅射法制备钨涂层，可以有效改善金刚石/铜复合材料的界面结合性，提高其热导率和气密性。研究结果表明，涂层厚度约为218 nm时，金刚石/铜复合材料的性能最佳，能够实现较高的热导率和较好的气密性。此外，研究还揭示了涂层厚度对热导率和气密性的影响规律，为进一步优化金刚石/铜复合材料的设计提供了理论依据。

该研究不仅为金刚石/铜复合材料的制备提供了新的思路，还为其他金属基复合材料的界面改性提供了有益的借鉴。磁控溅射法作为一种精确控制涂层厚度和微观结构的方法，展现了其在材料科学领域的广泛应用前景。