Page 34 - 精细化工2019年第10期
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·2000·                            精细化工   FINE CHEMICALS                                  第 36 卷

            Forming，指零件成形后，仅需少量加工或不再加工，                        并将参考文献中的实验结果与数值模拟结果比较，
            就可用作机械构件的成形技术），并且在目前的报道                            如图 6 所示。金刚石体积分数小于 40%的复合材料
            中使用该工艺制得的金刚石/铜复合材料热导率少                             热导率接近数值模拟结果，大于 40%时文献中材料
            有超过 700  W/(m·K)的情况。热压烧结原理与上述                      的热导率会发生下降，而数值模拟结果继续上升。
            两种方法类似，但条件没有高温高压烧结高，性价                             不同金刚石颗粒粒径复合材料的热导率数值模拟结
            比又不如放电等离子烧结法，存在固相烧结界面结                             果与实验结果如图 7 所示。当金刚石颗粒粒径为
            合差以及轴向加压制备材料形状单一的缺点。熔渗                             82.5~110.0 μm 时，复合材料热导率接近数值模拟的
            法虽然界面结合较好，但是在非超高压熔渗中通常                             结果，粒径较大或较小时偏差较大，并且整体数值
            要制作金刚石预制坯，增加了工序，并且熔渗的过                             模拟结果高于实际值。
            程中粘结剂分解消失，金刚石颗粒重新排列，严重
            影响尺寸精度，意味着该方法难以胜任高精度复杂
            零件的生产。
                 所以，制备高导热性能的金刚石/铜复合材料还
            需要进一步优化工艺。例如，Pan 等                [39] 提出了一种
            制备金刚石/铜复合材料的新方法。先采用磁控溅射
            法在金刚石颗粒表面镀 Zr，并在 700 ℃下真空处理 30
            min 得到 ZrC 层，再用化学沉积法在碳化锆涂层金
            刚石颗粒上沉积铜，得到双层金刚石颗粒，最后对
            双层金刚石颗粒进行超高压处理，并在真空烧结设

            备中进行致密化得到复合材料。这种方法相比高温                             图 6    不同金刚石体积分数的复合材料的热导率数值模
            高压烧结法，省略了粉末混合步骤，使金刚石颗粒                                  拟结果与实验结果的比较          [41]
            能够均匀分布，利于得到高金刚石体积分数的高导                             Fig.  6    Comparison  of  numerical  simulation  results  and
                                                                      experimental  results  of  thermal  conductivity  of
            热复合材料；而相比熔渗法这种方法更利于生产近                                    composites with different diamond volume fractions [41]
            净形状的工件，制得的双镀层金刚石颗粒后续可以
            根据需要依靠模具制成熔渗法无法完成的复杂零
            件。当然这样的方法并非完美，接来下研究人员还
            需要从如何进一步优化制备过程中金刚石/铜的界
            面结合、降低成本、发展近净成形技术等角度出发，
            寻找更优的工艺方法。

            2   影响金刚石/铜复合材料导热性能的主

                要因素

                 在已有的报道中发现，影响金刚石/铜复合材料
                                                               图 7    不同金刚石颗粒粒径的复合材料的热导率数值模
            导热性能的因素非常多，并且影响的机理复杂，在
                                                                    拟结果与实验结果的比较          [41]
            不同的条件下也会得到不同的结果。本文从以下几                             Fig.  7    Comparison  of  numerical  simulation  results  and
            个方面出发，介绍了影响金刚石/铜复合材料导热性                                   experimental results of thermal conductivity of composite
                                                                      materials with different diamond particle sizes [41]
            能的部分因素的研究情况。
            2.1   金刚石粒径、品级及体积分数                                    分析认为，在数值模拟过程中，并未考虑实际
                 诸多文献表明，金刚石粒径、体积分数对复合                          情况下材料的界面缺陷、间隙导致的界面热阻，所
            材料的热导率影响很大。Kidalov 等            [40] 尝试采用纳米        以导致理论计算值普遍高于实际值。高热导率的金
            级金刚石颗粒制备复合材料，发现即使在 2000 ℃、                         刚石体积分数增加原本应该提升导热性能，但是矛
            6.0~6.5 GPa 的超高温高压条件下，复合材料的热导                      盾的是金刚石含量过高会增加间隙，恶化界面结合
            率也只有 50 W/(m·K)，远低于使用微米级金刚石的                       情况，从而导致复合材料致密度下降，导热性能变
            效果。张永杰等       [41] 采用有限元分析的方法对金刚石/                 差，因此，出现了实际实验中复合材料随金刚石体
            铜复合材料导热性能进行数值模拟，结果表明金刚                             积分数先增大后减小的情况。而小粒径会使得材料
            石粒径、体积分数越大，复合材料的热导率越大。                             内部界面数增多，增加界面热阻，大粒径又会恶化
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