金剛石復(fù)合材料：讓電子設(shè)備“冷靜思考”的終極秘密武器

隨著高功率密度、高性能電子器件的快速發(fā)展，高效散熱已成為制約其性能突破的關(guān)鍵瓶頸。金剛石憑借穩(wěn)定均勻、高度有序的立方晶系晶格結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了極高的聲子傳導(dǎo)效率，使其具備卓越的導(dǎo)熱性能，單晶金剛石熱導(dǎo)率可達2200W/(m?K)，遠超傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料，在導(dǎo)熱領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。然而，金剛石的高成本與脆性特質(zhì)限制了其單一形態(tài)的應(yīng)用場景，由此催生的金剛石復(fù)合材料已成為行業(yè)研究熱點，更是下一代散熱器與電子封裝材料的核心競爭候選。

01 聚合物基金剛石導(dǎo)熱復(fù)合材料

聚合物導(dǎo)熱復(fù)合材料具有輕質(zhì)、加工性好、成本低等優(yōu)點，在電子器件中普遍用作導(dǎo)熱界面材料填充于微電子材料表面和散熱器之間的間隙，用以排除其中的空氣，提升散熱性能。熱界面材料的導(dǎo)熱性能很大程度依賴于導(dǎo)熱填料的熱導(dǎo)性。在各種導(dǎo)熱填料中，金剛石的導(dǎo)熱系數(shù)較高，同時還具備優(yōu)異的絕緣性能，是制備高導(dǎo)熱絕緣復(fù)合材料極佳的填料。

然而，金剛石填料與基體之間的界面相容性比較差，界面附近容易產(chǎn)生極大的界面熱阻，從而嚴重影響材料整體的熱導(dǎo)率。因此，往往需要對金剛石進行表面改性處理。金剛石的表面改性方法主要可以分為硅烷偶聯(lián)劑處理、表面活性劑處理以及表面功能化等三大類。

（1）硅烷偶聯(lián)劑。由化學(xué)氣相沉積工藝生產(chǎn)的人造金剛石，還殘留有羥基、羧基等有機基團。硅烷偶聯(lián)劑的一端能與這些基團反應(yīng)鍵合，另一端又能與高分子聚合物發(fā)生反應(yīng)生成化學(xué)鍵，從而將金剛石與聚合物基體緊密結(jié)合起來，提高其界面作用。

硅烷偶聯(lián)劑KH-550與金剛石的反應(yīng)機理

（2）表面活性劑處理。表面活性劑通常指含有親水和/或親油基團、能在溶液表面產(chǎn)生定向排列的一類物質(zhì)。表面活性劑往往一端與金剛石結(jié)合，另一端與基體結(jié)合，顯著增強兩相界面的結(jié)合性。

（3）表面功能化。表面功能化主要是指通過化學(xué)改性、光化學(xué)改性和臭氧氧化等方法，在金剛石的表面引入有機官能團，從而提高金剛石與有機高分子的界面親和性。

02 金屬基金剛石導(dǎo)熱復(fù)合材料

基于金剛石高導(dǎo)熱、低膨脹系數(shù)、低密度等優(yōu)異物理性能，近年來研究者正在研發(fā)以金剛石顆粒作為增強體的金屬基高導(dǎo)熱復(fù)合材料。金剛石/金屬復(fù)合材料因其優(yōu)異的熱物理性能，在封裝領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。目前，金屬基金剛石復(fù)合材料主要有金剛石/銅、金剛石/鋁和金剛石/鎂復(fù)合材料等。

金剛石/銅：銅基體本身具有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性能，在電子器件的熱沉材料領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用市場，能夠有效驅(qū)散熱量，使設(shè)備維持低溫運行狀態(tài)，確保電子元件穩(wěn)定工作。

金剛石銅，圖源：安徽尚欣晶工新材料科技有限公司

金剛石/鋁：通過合適的制備工藝，金剛石顆粒與鋁基體之間可以實現(xiàn)良好界面結(jié)合，從而提高復(fù)合材料的整體性能，同時鋁的密度較低，有利于減輕整體結(jié)構(gòu)的重量，適用于航空航天等領(lǐng)域的熱管理場合中。

金剛石/鎂：與鋁基體相比，鎂基體復(fù)合材料的密度更低，同時強度也略勝一籌。但是金剛石與鎂的熱膨脹系數(shù)存在顯著差異，這可能導(dǎo)致復(fù)合材料在溫度變化時產(chǎn)生熱應(yīng)力，目前該復(fù)合材料研究仍處于起步階段。

金剛石與金屬基體之間的界面相容性較差，聲子在界面處散射嚴重，導(dǎo)致復(fù)合材料的熱導(dǎo)率受限，可以通過以下界面改性技術(shù)提高金剛石/金屬復(fù)合材料的熱物理性能：

（1）增強界面結(jié)合強度

制備工藝優(yōu)化：通過調(diào)整復(fù)合材料制備的溫度、壓力、時間等工藝參數(shù)，可以提高金剛石/金屬復(fù)合材料的致密度，增強界面結(jié)合，進而提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率和抗彎強度。

改變金剛石顆粒表面狀態(tài)：通過改變表面粗糙度和表面化學(xué)狀態(tài)影響金剛石/金屬復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能和吸附性能等。

（2）引入界面過渡層

基體金屬合金化：向基體中加入適量合金元素能夠產(chǎn)生較強的內(nèi)界面吸附，有效降低液態(tài)合金內(nèi)界面張力。

金剛石顆粒表面金屬化：利用化學(xué)鍍、真空微蒸發(fā)鍍、鹽浴鍍及磁控濺射等工藝在金剛石表面鍍覆金屬層的方式降低表面張力促進潤濕。

引入功能性過渡層：在金剛石與金屬基體之間引入一層或多層過渡層材料，如碳化物（如TiC、WC）、氮化物等。這些過渡層材料具有良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠有效地減少聲子在界面處的散射，提高熱導(dǎo)率。

參考來源：

邱濤：導(dǎo)熱填料用金剛石表面改性研究

祝平等：金剛石/金屬復(fù)合材料界面改性研究進展

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