Page 35 - 精细化工2019年第10期

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 ·2001·

金刚石与铜的结合，所以在张永杰等人的研究中出 于 2 GPa 时热导率明显下降。当烧结时间为 300 s
现了过大或过小的粒径样品数值模拟结果与实际值 左右时，材料热导率最高。烧结时间过短，铜无法
差距较大的情况。 完全浸渗入金刚石之间的缝隙，造成材料致密度不
黄霞等 [42] 对金刚石进行预镀铬处理，然后用熔 好，界面结合较差；烧结时间过长，高温条件则会
渗法制备了金刚石/铜复合材料，并改变金刚石的粒 破坏金刚石结构，导致导热性能下降。
径与品级，探究其对材料热导率的影响。结果表明， 王青云等 [43] 采用热压烧结法制备了金刚石/铜
金刚石粒径不宜过小也不可过大，过小金刚石比表 复合材料，并且研究了烧结温度对复合材料热导率
面积大，增加界面热阻，过大增加了间隙，且不利 的影响。随着烧结温度的升高，复合材料热导率先
于进一步加工；而金刚石品级显然是越高越好，高 升高再降低。当烧结温度低于 980 ℃时，烧结动力
品级的金刚石缺陷与杂质少，利于提升材料的导热 不足，复合材料的致密度不够；烧结温度高于 980 ℃
性能。 时，由于铜和金刚石的热膨胀系数有一定差距，在
许多研究表明，金刚石的体积分数并非越大越 冷却的过程中铜与金刚石容易分离产生间隙，并且
好。对于非高压方法，在没有添加活性元素对界面 过高的温度也有可能会破坏金刚石的结构，导致复
进行修饰时，金刚石体积分数越大，孔隙越多，热 合材料导热性能降低。
导率会越小；一般情况下对界面进行修饰后，热导 Ciupiński 等 [44] 将金刚石粉末与 Cr 质量分数为
率会随着金刚石体积分数的增大先增加后减少，不 0.65%的 CuCr 合金粉末混合后采用脉冲等离子烧结
同的制备工艺、条件下这一临界值往往不同，对于 法成功制作了金刚石/铜复合材料。对脉冲等离子烧
非高压方法金刚石体积分数的最佳值通常在 50%~ 结参数进行了优化，以控制金刚石与基体之间的碳
65%。由于高温高压条件会带来金刚石团聚成键的 化物界面。当烧结时间为 5 min 时，烧结温度越高
现象，并且高温高压可使基体更充分地填充金刚石 复合材料的热导率越高；烧结时间分别为 10 和 15
间的孔隙，一些加压上千兆帕的超高压方法中金刚 min 时，复合材料的热导率则随着烧结温度的增大
石体积分数的最优值在 70%以上。甚至也有研究通 先增大后减小。在较低或较高的烧结温度下，烧结
过超高压方法制备了 90%金刚石体积分数的复合材 时间对材料热导率的影响也是类似的。该研究认为，
料，但是其热导率也仅为 662 W/(m·K)，并不一定 烧结时间过短或温度过低，烧结动力不足，材料的
比低体积分数的材料高。而超高压条件和高金刚石 致密度较低，孔隙度较大，影响了材料的热导率。
体积分数都使成本更加高昂，所以无论从控制成本 烧结时间过长或温度过高，则会导致碳化物层厚度
还是从提升导热性能角度来看，提升金刚石体积分 太厚，反而不利于界面的能量传递。实际上，诸多
数并无意义。应当关注的是，在满足热胀系数要求 文献表明这些烧结参数过大或过小均不可取，根据
的金刚石体积分数下，尽可能优化界面结合，提升 不同的情况寻找其最优值，对提升复合材料的导热
导热性能。 性能具有重要意义。
金刚石粒径的大小影响材料内部界面的数量， 影响复合材料导热性能的因素还有很多，比如：
粒径越小界面数越多，通常金刚石粒径应当尽量大 添加剂的种类和含量、添加活性元素后形成的碳化
以减少界面热阻，但是过大也不可行，一方面会影 物的厚度、铜合金化的工艺等。各种实际情况的不
响复合材料的致密度，另一方面也会导致后续加工 同会导致这些因素会有不一样的影响。但是从共性
的困难，大多数研究中的最佳粒径在 100 μm 左右。 的材料学原理上来说，无论是金刚石的参数还是制
纳米级金刚石的表现则非常差，高温高压条件下石
备的工艺都应当从提高复合材料致密度、改善界面
墨化严重，大大降低复合材料导热性能。此外，在
结合以及降低对金刚石、铜本身高导热性能的损害
熔渗法金刚石预制坯的制作过程中也有采用大小粒
等角度出发，协调各项因素以减小界面热阻，提升
径混用的方案，当小粒径金刚石尺寸大于大颗粒金
材料的导热性能。
刚石间的缝隙时，小粒径金刚石可以撑开大粒径颗
粒间的缝隙，一定程度提高预制坯的孔隙度，更利 3 金刚石/铜复合材料的界面问题
于下一步熔渗。
2.2 烧结温度、压力、时间 由于金刚石与一般金属和合金之间有很高的界
赵龙等人 [32] 用高温高压熔渗法制作了金刚石/ 面能，所以金刚石与铜互不润湿，界面结合很
铜复合材料，并探究了烧结压力与时间对材料热导 差 [4,45-46] 。这不仅降低金刚石/铜复合材料的热学性
率的影响。随烧结压力的升高，复合材料热导率先 能，而且大大降低复合材料的力学性能。因此，提
增加，并且在 2 GPa 时达到最高值，当烧结压力大 高金刚石/铜复合材料性能的关键就在于提升界面