Diamond/Cu复合材料的界面调控及导热性能研究

Diamond/Cu复合材料作为新一代热管理材料,以其巨大的潜力近年来引起了广泛的关注。本文采用金刚石盐浴镀W和W粉掺杂两种方法改善金刚石与铜之间的润湿性,结合无压浸渗的方法制备Diamond/Cu复合材料。通过改变不同的金刚石粒径、不同的镀W工艺和不同的掺杂量,调控复合材料的界面。使用SEM,XRD等方法对复合材料的界面结构,成分进行表征。重点研究了界面数量、界面层厚度和界面成分对复合材料的组织形貌及导热性能的影响。观察不同粒径的金刚石制备的复合材料断口发现,复合材料断裂方式主要为沿晶断裂。当金刚石粒径分别为80/100目、120/140目、230/270目时,复合材料的界面热阻依次为1.81×10-8m2K/W、2.58×10-8m2K/W、5.09×10-8m2K/W。复合材料的计算热导率随着界面热阻的增大而减下,分别为793W/(m·K)、768W/(m·K)、697W/(m·K);实际热导率为578W/(m·K)、525W/(m·K)、441W/(m·K),与计算热导率变化规律一致。随着镀W时间的延长,镀层厚度增加,增重法计算的镀层厚度依次为1.18μm、1.72μm、2.48μm、3.24μm,随着镀层变厚界面热阻增大分别为0.86×10-8m2K/W、1.26×10-8m2K/W、1.81×10-8m2K/W、2.35×10-8m2K/W。复合材料的计算热导率分别为827W/(m·K)、812W/(m·K)、793W/(m·K)、775W/(m·K)、,随着镀层厚度与界面热阻的增大而减小,但实际热导率分别为280W/(m·K)、473W/(m·K)、578W/(m·K)、532W/(m·K),随着镀层厚度增加先增大后减小。不同W掺杂量制备的复合材料,当W体积分数为10%时制备的复合材料的界面结合最好。相图与XRD分析结果显示,界面处存在着成分梯度,金刚石表面由外至内依次为Cu0.4W0.6-W2C-WC-Diamond,各物相在界面处互相的扩散,没有明显的分界。不同W掺杂量制备的Diamond/Cu复合材料的抗弯强度分别为211MPa、265MPa、327MPa、353MPa、358MPa;热扩散系数分别为45mm2/s、87mm2/s、93mm2/s、114mm2/s、87mm2/s;热导率分别为236W/(m·K)、381W/(m·K)、423W/(m·K)、456W/(m·K)、350W/(m·K)。对比盐浴镀W法和掺杂W粉法制备的Diamond/Cu复合材料的性能,前者的热导率较高,但镀覆与分离工艺复杂;后者工艺简单,但如何控制W元素的分布提高热导率仍需进一步探究。