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1研究背景
随着现代电子设备的不断微型化、集成化和高性能化，设备通道中的功率密度不断增加，导致严重的焦耳热和高温，进而影响设备性能并可能导致设备故障。因此，高效的散热成为了电子设备中的一个重要问题。为了解决这一问题，集成先进的热管理材料可以显著提高电子设备的散热能力。钻石因其卓越的热性能——最高的各向同性热导率（k = 2300 W/m K）和极低的热膨胀系数（CTE = 1 ppm/K）——而受到极大关注。然而，钻石和铜之间在物理和化学性质上存在显著差异，这导致了在高温制造或集成过程中钻石/铜界面的低结合强度和高热应力，从而引发界面裂纹问题，严重降低了热传输性能。目前，改善钻石/铜界面的主要方法是通过金属合金化或表面金属化化学改性界面。虽然这可以改善界面结合力，但过渡层的厚度增加会引入过多的热阻，对界面热传输不利。因此，如何在保持高界面结合强度的同时不过多引入界面热阻，成为了集成钻石和铜的一个重大挑战。
2成果简介
在这项研究中，研究人员提出了一种新的策略，结合超薄界面改性和低温高压（LTHP）烧结工艺来制备钻石/铜复合材料。通过这种方法，所得复合材料展现出卓越的热导率（k）值达到763 W/m K，超过传统粉末冶金法制备的复合材料。同时，使用较低的钻石体积分数（45%对比50%-70%），k值更高，意味着通过减少钻石填料含量大幅降低成本。此外，研究人员成功解决了钻石/铜界面的热传输问题，为钻石/铜复合材料的热传输性能提供了深入的见解。3图文导读
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图1 铜和钻石之间的显著性能差异。(a) 热膨胀系数（CTE）和 (b) 相图。![]()
图2 (a) 钻石/铜复合材料的制造工艺流程图；(b) 放电等离子体烧结（SPS）粉末冶金制备中的不同烧结工艺：传统高温低压（HTLP）工艺和本文提出的低温高压（LTHP）工艺。![]()
图3 LTHP制备的钻石(Ti)/铜复合材料的三维X射线微计算机断层扫描（CT）表征。(a) 不同视角的2D X射线断层扫描图像；(b) 铜基体中钻石颗粒的3D X射线微CT分布。![]()
图4 非平衡分子动力学（NEMD）模拟中用于界面热导计算的示意图。(a) NEMD计算中使用的模拟设置：热量从源流向汇；(b) 从源到汇的稳态温度剖面穿过界面。![]()
图5钻石/铜复合材料的热性能。(a) 不同界面化学状态和不同烧结工艺下钻石/铜复合材料的测量热导率；(b) 本文提出的策略制备的钻石/铜复合材料的最大k值与传统策略的比较；(c) 不同界面化学状态和不同烧结工艺下钻石/铜复合材料的CTE；(d) 通过本文提出的策略制备的钻石/铜复合材料的热循环曲线。 4小结
本研究旨在克服挑战并阐明提高钻石/铜复合材料热传输性能的机制。研究人员开发了一种新的集成策略，结合超薄界面改性和低温高压（LTHP）烧结工艺，制备出具有高热导率（k值达到763 W/m K）和适宜的热膨胀系数（<10 ppm/K）的钻石/铜复合材料。通过这种策略，研究人员显著减少了过渡层厚度至约100纳米，远低于以往使用的数百纳米甚至微米。然而，由于制备过程中热应力损伤的减少，界面结合强度仍被增强至共价键水平，界面粘附能为3.661 J/m2。通过分子动力学（MD）和从头算（Ab-initio）模拟结果表明，钻石/TiC界面具有良好的声子性质匹配，并且具有出色的热传输能力（G > 800 MW/m2 K）。因此，两个可能的热传输瓶颈不再是整体钻石/铜界面的限制因素。通过使用差分有效介质（DEM）模型从测量的复合材料热导率中推断出的界面热导（G）值为93.5 MW/m2 K。研究表明，通过提出的制备策略，在保持高界面结合强度的同时实现高热导，从而提高了钻石/铜复合材料的热传输性能。文献：
https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2024.111925
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