中國粉體網訊 近日，中南大學馬莉團隊提出了一種結合控制界面層厚度的界面設計策略，通過磁控濺射結合氣壓浸滲技術，在金剛石/銅界面構建了WC-(Zr,W)C梯度界面層，同時提高了金剛石/銅復合材料的傳熱能力、熱膨脹匹配性和熱穩定性。
金剛石/銅復合材料的制備過程示意圖
當濺射時間至45分鐘時，復合材料熱導率達到743W/(m·K)，是未涂層樣品的1.3倍；熱膨脹匹配方面，復合材料的熱膨脹系數降至4.5×10-6K-1，與半導體材料實現良好匹配，這極大降低了芯片工作過程中的熱應力；還有熱穩定性突破，經100次熱循環（218-423K溫度范圍）后，仍保持較高的熱擴散系數，達到244.9mm²/s，熱擴散系數僅下降20.7%。
（a）橫向周期模型;（b）金剛石（111）/Cu（111）和（c）金剛石（111）/WC（0001）/CuZr（111）的界面結構模型
隨著電子元器件向集成化、小型化和高功率化發展，散熱問題日漸突出。開發具有優異熱性能的熱管理材料以實現高效散熱是電子產業發展過程中的關鍵問題。銅是一種成熟的電子封裝材料，價格低、加工性能好；金剛石單晶的熱導率可達到2200W/(m·K)，遠遠超過傳統導熱材料，其在高溫環境中也能夠保持出色的導熱性能。而金剛石/銅復合材料能夠更好地結合金屬基體和金剛石增強相的優勢，成為新一代極具發展潛力的熱管理材料。
增強體與基體之間的界面是熱載體傳輸和熱應力釋放的關鍵橋梁。然而，金剛石固有的化學惰性以及金剛石/銅界面的不潤濕性，可能會導致不良的界面熱阻。此外，金剛石與銅基體之間存在顯著的熱膨脹系數不匹配問題，這會在熱循環過程中導致嚴重的界面熱應力集中，從而縮短其使用壽命。在金剛石/銅復合材料中，設計的界面層的物理特性及其與金剛石和銅基體的結合強度對熱物理性能有著至關重要的影響。
此次研究證實了引入WC-(Zr,W)C多級界面層有利于提高金剛石與基體的界面結合強度和聲子匹配。此外，金剛石/銅復合材料在熱沖擊后具有均勻分布的金剛石顆粒、較高的相對密度和孤立的孔隙，保證了其優異的傳熱性能，這不僅解決了金剛石/銅復合材料的工程應用難題，闡明了其強化機理的深入理解，而且為熱管理復合材料的界面層設計提供了新的視角。
參考來源：
1.崔露露：金剛石增強銅基導熱材料研究進展
2.Materials Today Physics
3.陜西碳索
（中國粉體網編輯整理/石語）
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