Page 33 - 精细化工2019年第10期
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第 10 期                   戴书刚，等:  金刚石/铜高导热复合材料制备工艺的研究进展                                  ·1999·


            大小也可分为普通压力熔渗与超高压熔渗。普通压                                 洪庆楠等    [37] 采用真空加压熔渗法，将铜钴合金
            力熔渗常使用真空热压炉或者气压熔渗炉，与热压                             置于预制金刚石坯体上升温后加压进行熔渗，冷却
            烧结的不同在于金刚石与铜不混合而是分层放置或                             脱模后得到金刚石/铜复合材料。当 Co 在合金中的
            者制作金刚石预制坯，并且通常先加热至铜熔融再                             质量分数为 2%时，复合材料的热导率提高了 57%，
            加压，甚至直接加入熔融态的铜再压制。高压熔渗                             达到最高值 347 W/(m·K)。重点研究了 Co 的质量分
            与高温高压烧结的区别也类似。赵龙等                   [32] 采用加压      数对熔渗温度和复合材料热导率、抗弯强度及热膨
            熔渗法，将预镀碳化钨的金刚石与铜片处理后分层                             胀系数的影响，发现 Co 质量分数的增加会提高熔
            放入模具中，在六面顶压机中进行高温高压熔渗烧                             渗温度以及复合材料的抗弯强度、热膨胀系数，而
            结，降温降压获得合成块后又对其进行了真空热处                             热导率在 Co 质量分数为 2%时达到峰值，再增大 Co
            理，在烧结压力为 2 GPa、烧结时间为 300 s、烧结                      质量分数会使热导率降低。
            温度为 1200 ℃的条件下，制成了金刚石体积分数为                             此外，郭宏等      [38] 的研究表明，普通压力熔渗制
            70%的金刚石/铜复合材料，其热导率为 426 W/(m·K)。                   得的金刚石/铜复合材料在低温条件下的导热性能
            在烧结过程中，控制升温与升压的顺序，发现先升                             要优于高压熔渗法制备的复合材料，图 5 是高压熔
            温后升压制成的复合材料性能更佳。他们还与高温                             渗和普通熔渗所制备材料的低温热导率，HPF 为高
            高压烧结法比较，发现高温高压熔渗法制成的复合                             压熔渗，PF 为普通压力熔渗。分析认为，虽然高温
            材料致密度与导热性能更优。                                      高压作用下部分金刚石发生聚晶反应，大大降低热
                 Ekimov 等 [33] 通过高温高压熔渗法制作了金刚                  阻，但高温高压条件一定程度破坏了金刚石结构，
            石/铜复合材料，分别在 2 和 8 GPa 的压力下对分层                      产生间隙和孔洞，而低温下声子导热对间隙和孔洞
            放置的金刚石粉末和 Cu 基体粉末进行烧结，温度                           更为敏感，所以低温下的高压熔渗材料热导率反而
            为 1027~1827 ℃，烧结时间为 10~20 s。在 8 GPa 的              低于普通熔渗所制材料。
            烧结压力和 1827 ℃的烧结温度下，可制备出热导率
            高达 900 W/(m·K)的金刚石/铜复合材料。研究表明，
            在 200  µm 以上的晶粒中形成的金刚石骨架对提高
            复合材料的热导率起着至关重要的作用。
                 何金珊等    [34] 同样使用高温高压熔渗法，在 5 GPa
            的超高压条件下，通过熔渗法制得了金刚石体积分
            数达90%的金刚石/铜复合材料，热导率为662 W/(m·K)。
            探究了金刚石与铜之间的界面结合情况，发现在界
            面处有铜与碳的过渡层，认为金刚石与铜产生了冶
            金结合；并且由于高温高压作用，部分金刚石颗粒

            之间相互连通，大大提高了导热效率。                                  图 5    高压熔渗和普通熔渗所制备材料的低温热导率                [38]
                 He 等 [35] 在 1500 ℃、5 GPa 的高温高压条件下，            Fig. 5    Low temperature thermal conductivity of materials
                                                                     prepared  by  high  pressure  infiltration  and  conventional
            采用熔渗法制备了金刚石体积分数为 90%的铜基复                                         [38]
                                                                     infiltration
            合材料，并利用真空感应熔炼法在铜基体中加入 Zr。
            侧重研究了 Zr 质量分数对复合材料界面组织和热                               除上述制备方法，还有一些运用相对不是特别
            导率的影响。当 Zr 质量分数为 1.0%时，复合材料                        广泛的方法，比如：化学沉积法、冷压烧结法等，
            的导热系数最高，为 677 W/(m·K)，比不添加 Zr 的                    本文不再一一介绍。本文介绍的几种工艺都有制备
            金刚石/铜复合材料提高了 64%，热导率的提高主要                          出高导热性能金刚石/铜复合材料的报道，但是这些
            是由于 Zr 的添加在铜和金刚石界面处形成了 ZrC，                        工艺都各有利弊。例如，高温高压烧结法虽然依靠
            修饰了界面，减少了界面热阻。                                     高温高压条件能制得高致密度的复合材料，但是条
                 李建伟等    [36] 用粉末覆盖烧结法对金刚石进行了                  件苛刻成本高昂，并且界面结合情况还是不如液态
            预镀 W 处理，并且通过气体压力熔渗法制备了金刚                           浸渗好，材料的导热性能仍取决于界面修饰的情况，
            石/铜复合材料，重点研究了金刚石的预镀 W 工艺                           个别报道中的超高导热性能往往来自高温高压条件
            对复合材料性能的影响，结果表明，当镀覆温度为                             下形成的金刚石直接连通的结构。放电等离子烧结
            1050 ℃，镀覆时间为 15  min 时，镀层厚度可达到                     法需要的制备压力小，烧结速度快，较为节能，但
            2000  nm，制备得到的金刚石/铜复合材料热导率达                        是作为轴向加压的工艺，制备的材料往往只能是片
            到 670 W/(m·K)。                                     状或柱状，不利于实现近净成形（Near  Net  Shape
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