電子元件的集成化和小型化為為用戶帶來了更加便捷、高效、智能的體的同時，也導致了設備內部功率密度越來越高，高效散熱成為了限制器件性能進一步提升的關鍵問題。金剛石由于擁有穩定均勻、高度有序的立方晶系晶格結構，聲子傳導能夠非常高效地進行，因此賦予了其出色的導熱性能，單晶的熱導率可達到2200W/mK，遠遠超過傳統導熱材料，使得其在導熱領域的應用前景十分廣闊。然而，由于金剛石的高成本和脆性，目前其單一應用在工業上受到了一定的限制，因此往往通過將金剛石與其他材料復合制備成導熱復合材料使用。本文就此盤點一下金剛石材料在導熱復合材料中的應用形式及導熱機理。

來源：網絡

1、聚合物基導熱界面材料

聚合物導熱復合材料具有輕質、加工性好、成本低等優點，在電子器件中普遍用作導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，而且導熱性能很大程度依賴于導熱填料的熱導性。金剛石微粉的熱導率遠高于常見的金屬填料和陶瓷填料等，能夠顯著提高復合材料的整體導熱性能。

目前，金剛石作為導熱填料應用于導熱界面材料中主要有兩種制備方式:

①共混法

共混法就是將金剛石填料與聚合物基體進行簡單混合，使金剛石在基體內部隨機排列構筑成導熱通路。該方法操作簡單，但是由于金剛石具有表面惰性和較小的熱膨脹系數，且填料分布隨機，存在填料分布不均勻、與聚合物之間接觸熱阻大、導熱通路不完全等問題，往往需要添加較大含量的填料，并對其進行表面改性處理，才能實現復合材料的高導熱性能。

②構筑模板法

構筑模板法是利用冰、鹽、金屬、糖或其他無機物作為模板劑預制模板的方式，將金剛石導熱填料分散在其中，利用模板微結構的空間限制作用，來構建填料的三維導熱網絡并調控其結構與尺寸，接著利用特定方法去除模板，以獲得取向結構的三維交聯骨架，最后將填料的三維交聯骨架浸入聚合物基體中形成復合材料。

該方法可以通過控制模板的結構和形狀來定向排列金剛石顆粒和孔隙度，因此能夠優化導熱路徑，解決傳統共混法由于填料分布隨機，難以在低填充體積下實現高導熱性的難題，同時由于模板可以提供更多的表面反應位點，界面熱阻會得到一定的優化。

2、金屬基金剛石復合材料

封裝材料的應用需要考慮兩大基本性能要求，一是高的熱導率，以實現熱量的快速傳遞，保證芯片可以在理想的溫度條件下穩定工作；二是可調控的熱膨脹系數，從而與芯片和各級封裝材料保持匹配，降低熱應力的不良影響。金剛石/金屬復合材料因其優異的熱物理性能，在封裝領域具有重要的應用潛力。

金剛石/銅復合材料（來源：有研工研院）

目前，金屬基金剛石復合材料主要有金剛石/銅、金剛石/鋁和金剛石/鎂復合材料等，它們的應用側重點有所差異。

①金剛石/銅：銅基體本身具有優良的熱傳導性能，在電子器件的熱沉材料領域有著巨大的應用市場，能夠有效驅散熱量，使設備維持低溫運行狀態，確保電子元件穩定工作。

②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良好界面結合，從而提高復合材料的整體性能，同時鋁的密度較低，有利于減輕整體結構的重量，適用于航空航天等領域的熱管理場合中。

③金剛石/鎂：與鋁基體相比，鎂基體復合材料的密度更低，同時強度也略勝一籌。但是金剛石與鎂的熱膨脹系數存在顯著差異，這可能導致復合材料在溫度變化時產生熱應力，目前該復合材料研究仍處于起步階段。

由于金屬基體的導熱機制主要是通過自由電子移動、相互作用及碰撞來實現的，而金剛石則是通過聲子傳導完成的，因此對于金屬基金剛石復合材料，金屬與金剛石之間的界面傳導是影響復合材料整體熱導率的關鍵，而這又取決于界面結合強度、界面態密度以及界面缺陷等因素。目前，主要的改進方法是通過金屬基體合金化或金剛石表面金屬化對金剛石/金剛石界面進行化學改性來解決。

金剛石/銅復合材料界面熱阻示意圖（來源：參考文獻3）

①金屬基體合金化：主要是在金屬基體中摻雜各種活性元素，如Ti、B、Zr。通過這一方法可以有效降低金剛石與銅的濕潤角，同時金剛石/銅界面會生成碳化物層，修飾填充了界面之中的一些縫隙，提高了復合材料的導熱性能。目前銅基體合金化后，后續主要采用熔滲法制備金剛石復合材料，即將預成型的金剛石骨架浸入到熔融金屬液中，使之填充孔隙，然后冷卻、凝固，制得復合材料。這種制備方法可以讓金剛石顆粒和金屬基體的接觸更加充分，大幅提升了材料的致密度，可以制備出結構更加復雜、熱學性能優越的熱導材料。

②金剛石表面金屬化：即預先在金剛石顆粒表面鍍覆活性元素，如Ti、W、Mo等，后續再經過燒結等方式制得復合材料。在燒結過程中形成的碳化物與銅有著較好的潤濕性，同時又可以與金剛石表面有較好的化學鍵結合。在后續高溫燒結過程中，鍍層還可以對金剛石起到一定的保護作用，減少金剛石的損傷。一般常用的金剛石表面金屬化方法有化學鍍膜、電鍍、磁控濺射法鍍膜、真空化學氣相鍍等。

·化學鍍膜：該方法是應用最廣、技術最成熟的一種鍍覆技術，通常是先對金剛石先進行“敏化”與“活化”處理后，再通過在鍍液中添加合適的還原劑，使其中的金屬離子通過自催化過程的還原反應形成金屬原子而沉積在金剛石表面，形成金屬鍍層，不過該方法需要金剛石具有良好的分散性能，以避免出現漏鍍、鍍覆不均勻等現象。

·電鍍：基于電解池反應，將金剛石顆粒作為陰極置于含金屬離子鍍液中，金屬陽極在通電時不斷溶解補充離子，在電場驅動下，鍍液中金屬離子移向金剛石陰極，得電子后還原成金屬原子并沉積。該方法能精準調控鍍層厚度，但需復雜預處理確保金剛石表面具有導電性，一般是在化學鍍后進行增厚鍍覆。

·磁控濺射：磁控濺射技術是利用磁場和電場來操控靶材表面的離子化過程，產生等離子體并將靶材原子沉積到金剛石表面上。該技術也能精確控制薄膜的厚 度和均勻性，同時薄膜通常具有較高的結晶質量和 致密性，但存在生長速率較低的問題，同時層層搭接的結構也使得存在很大的界面問題。

·真空化學氣相鍍：這是指在一定壓力、溫度、時間條件下，將被鍍金屬的氣態化合物導入放有鍍件的反應室內，與鍍件接觸發生熱分解或化學合成而形成鍍層。目前已有用氣相鍍在金剛石表面鍍鈦或鎢的研究，但該方法反應溫度高，易對金剛石造成熱損傷，單次鍍覆量低

3、陶瓷基金剛石復合材料

陶瓷基體具有耐高溫、化學穩定性強、機械強度高等特性，其中碳化硅與金剛石結構相似，潤濕性與熱膨脹匹配性都要比金屬與金剛石好的多，且兩者熱傳導機制都為聲子傳導，將兩者復合制備的金剛石/碳化硅復合材料在導熱率、硬度、耐高溫、高溫抗氧化性、抗熱震性等方面具有突出優勢，可充當耐高溫結構件廣泛應用于航空航天、新型節能汽車等領域。除此之外，也可制成切削刀具，應用于高速高精密切削領域，其高導熱性能能使切削熱容易散出。

不過金剛石在常溫常壓下屬于熱力學不穩定相，在一定條件下會自發向穩定的石墨相轉變。而該石墨層會存在較大的晶格失配或晶格不連續性，在金剛石/碳化硅界面區域發生嚴重的聲子邊界散射現象，散射會截斷聲子的平均自由程，從而嚴重降低復合材料的導熱性能。因此，該復合材料在制備過程中需要有效防止金剛石石墨化。目前，主要有高溫高壓燒結法、放電等離子燒結法、先驅體轉化法等制備方式均可有效減少金剛石石墨化現象。

①高溫高壓燒結法：該方法是把金剛石微粉和純硅粉充分混合均勻后在高溫和高壓下進行原位反應生成碳化硅，最終得到金剛石/碳化硅復合材料。由于金剛石在高壓下是穩定相，因此該方法也能有效避免金剛石石墨化，同時具有周期短，材料均勻性好的優點。但設備成本高，且難以制備復雜結構的復合材料。

②放電等離子燒結法：該方法利用直流電短時間內在粉末顆粒間隙施加放電等離子體，從而實現粉末的快速固結，由于可以在較低的燒結溫度和較短的燒結時間可以在很大程度上阻止金剛石石墨化，而且更加節能和低成本。

③先驅體轉化法：是在一定溫度下發生裂解生成碳化硅包裹在金剛石表面并填充基體孔隙。聚碳硅烷轉化而成的β-SiC與α-SiC和金剛石具有良好的潤濕性，同時β-SiC作為涂層可以有效抑制金剛石的石墨化。相比前兩種方法，該方法較為簡單，生產成本較低，但聚碳硅烷的轉化率低，制備時間較長。

參考來源：

1、唐波,相利學,代旭明,等.金剛石導熱復合材料的研究進展[J].中國塑料.

2、金剛石微粉表面改性研究綜述

3、戴書剛,李金旺,董傳俊.金剛石/銅高導熱復合材料制備工藝的研究進展[J].精細化工.

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