金刚石/铜复合材料的界面表征及调控研究

近年来电子散热问题在国际上引起了很高的重视与关注,主要由于电子元器件不断向微型化、多功能化及轻薄短小化的方向发展,使电子元件的相对热流量与发热量越来越高,这就对器件的散热性提出了更高的要求。然而电子散热问题的关键在于高效导热,热管理用高导热复合材料的研究,可以有效的解决这一难题。高导热复合材料中界面是其薄弱环节,也是影响其性能的关键因素,因此金刚石/铜(Diamond/Cu)复合材料的界面表征及调控工作具有重要的意义。 本文以Diamond/Cu复合材料为研究对象,运用压力熔渗法制备Diamond/Cu复合材料,对其界面进行深入系统研究,并分析不同界面类型对Diamond/Cu复合材料热物理性能的影响。通过减少Diamond/Cu复合材料的界面数量、控制Diamond/Cu复合材料界面杂质残留量、高压熔渗制备完美界面的Diamond/Cu复合材料,初步实现界面调控,为Diamond/Cu复合材料界面设计奠定基础。 压力熔渗Diamond/Cu复合材料,当基体合金化元素为Cr0.8wt%时,Diamond/Cu复合材料界面结合强度最佳。Cr与Diamond发生界面反应生成的少部分碳化铬以鳞片状离散分布于近界面区铜基体中,大部分碳化铬在界面处堆积为层状,其厚度大约为397nm。此碳化铬层在靠近金刚石端为Cr3C2,靠近铜端为Cr7C3。 选用II粘结剂的Ⅱ-Diamond/CuCr1.8%复合材料的热导率较高,为595W/m·K。Ⅰ-Diamond/CuCr0.8%复合材料与Ⅱ-Diamond/CuCr0.8%复合材料的抗弯强度分别为501MPa,556MPao Ⅱ-Diamond/CuCr0.5%复合材料,Ⅰ-Diamond/CuCr0.8%复合材料,Ⅱ-Diamond/CuCr0.8%复合材料的界面热阻比为2.41：2.16：1。 通过改变金刚石粒度大小,调控Diamond/Cu复合材料的界面数量,实现调节其界面热阻。金刚石粒度分别为80μm、180μm时,B-Diamond/Cu复合材料的界面热阻为2.165×10-8m2K/W,是A-Diamond/Cu复合材料热阻(3.058×10-8m2K/W)的0.71倍。另外,Ⅲ-Diamond/Cu复合材料,实现无添加粘结剂,其热导率为620W/m·K。Ⅲ-Diamond/Cu复合材料的界面热阻为1.891×10-8m2K/W,是Ⅰ-Diamond/Cu复合材料界面热阻(5.625×10-8m2K/W)的0.34倍,是Ⅱ-Diamond/Cu复合材料界面热阻(2.598×10-8m2K/W)的0.73倍。 利用高压熔渗制备出完美界面的Diamond/Cu复合材料,部分金刚石实现聚晶,形成导热通道,颗粒间的晶界热阻取代了部分界面热阻,从根本上降低了界面热阻。Diamond/CuCr0.8%复合材料与Diamond/CuNi30%复合材料的热导率都高达700W/m-K,650W/m-K。