近幾十年來，電子工業的發展推動了電子元件的集成和小型化，高性能電子器件的快速發展使得高效散熱成為關鍵問題。金剛石復(fu)合(he)材(cai)料作為下(xia)一代散熱(re)器(qi)和電子包裝材(cai)料的(de)候選，備(bei)受關注。為提(ti)高(gao)其熱(re)導率(lv)，已嘗試多種方(fang)法(fa)，包括使用高(gao)導電性金(jin)(jin)屬基(ji)體或大型金(jin)(jin)剛石(shi)顆粒(li)、增(zeng)加金(jin)(jin)剛石(shi)含(han)量、設計基(ji)體/金(jin)(jin)剛石(shi)界面以降低界面熱(re)阻等。然而，金(jin)(jin)剛石(shi)與基(ji)材(cai)界面的(de)聲(sheng)子散射限(xian)制了熱(re)導率(lv)的(de)有效(xiao)增(zeng)強，分散的(de)金(jin)(jin)剛石(shi)顆粒(li)難(nan)以形成(cheng)有效(xiao)的(de)熱(re)輸運通道，導致復(fu)合(he)材(cai)料熱(re)導率(lv)遠低于預期。因此，在(zai)較低金(jin)(jin)剛石(shi)載荷(he)下(xia)開發新方(fang)法(fa)來獲(huo)得滿(man)意(yi)熱(re)導率(lv)具(ju)有重要(yao)意(yi)義。

       研究進展

       相比于其他無機非金屬導熱復合材料（如氮化硼、氮化鋁、氧化鋁、碳化硅等(deng)），金剛(gang)(gang)石(shi)導(dao)熱(re)(re)(re)復合(he)材料(liao)在導(dao)熱(re)(re)(re)性(xing)能上(shang)表現最(zui)優，碳化(hua)硅(gui)和(he)(he)氮(dan)化(hua)硼次之，而氧(yang)化(hua)鋁和(he)(he)氮(dan)化(hua)鋁相對較低。在力學性(xing)能上(shang)，金剛(gang)(gang)石(shi)硬度最(zui)高(gao)但脆性(xing)大；氮(dan)化(hua)硼和(he)(he)碳化(hua)硅(gui)硬度高(gao)且(qie)具(ju)韌性(xing)；氧(yang)化(hua)鋁和(he)(he)氮(dan)化(hua)鋁則(ze)較差。從(cong)化(hua)學穩定性(xing)來看，無機(ji)非金屬材料(liao)普遍穩定，金剛(gang)(gang)石(shi)尤為突出。下文將著重介紹金剛(gang)(gang)石(shi)導(dao)熱(re)(re)(re)復合(he)材料(liao)的主要制備成型(xing)方式(shi)、導(dao)熱(re)(re)(re)機(ji)理等(deng)。

       1、共混法

       原(yuan)理：在制備復合材(cai)料中(zhong)，通過(guo)簡單的填(tian)料共(gong)混就可以直(zhi)接實現(xian)復合材(cai)料中(zhong)高效的導熱(re)網絡，但(dan)往往需要較(jiao)大含量的填(tian)料才能實現(xian)復合材(cai)料的高導熱(re)性能。

       進展：（1）Zhao等將納(na)米(mi)金剛石（ND）顆粒通過(guo)化學反應被(bei)包裹在碳納(na)米(mi)管(guan)(guan)的(de)(de)表面。再將有ND涂層的(de)(de)碳納(na)米(mi)管(guan)(guan)（CNT-ND）和環氧(yang)樹(shu)脂進行共混分散。結果表明，涂層NDs降低了(le)碳納(na)米(mi)管(guan)(guan)的(de)(de)表面能，這使得CNT-NDs在環氧(yang)基體中得到了(le)良好分散。CNT-ND的(de)(de)摻入對復(fu)合(he)材料的(de)(de)導電(dian)率(lv)的(de)(de)影響較小(xiao)，但卻提高了(le)復(fu)合(he)材料的(de)(de)熱導率(lv)。

       （2）Zeng等采(cai)用重復(fu)壓縮(suo)的方法，將金剛石(shi)、碳(tan)纖維以及液(ye)態金屬鎵制備成(cheng)復(fu)合(he)材料。在重復(fu)壓縮(suo)過程中，液(ye)態金屬會產生新的氧(yang)(yang)化皮，氧(yang)(yang)化物附著在金剛石(shi)上(shang)從而被(bei)鎵潤濕，制備過程圖如(ru)上(shang)圖所示(shi)。結果(guo)表明，隨著碳(tan)纖維含量的增(zeng)加，鎵/金剛石(shi)/碳(tan)纖維復(fu)合(he)材料的熱導率先增(zeng)加后降低。

挑戰：共混法制備金剛石導(dao)熱復(fu)合材料最主要需要克服就是(shi)接觸(chu)熱阻(zu)，優(you)化(hua)接觸(chu)熱阻(zu)可以有效的提高復(fu)合材料的導(dao)熱性能。

       2、構筑模板法

       原理：利用預制模板分散導熱填料，去除模板后形成取向結構的導熱填料，可在低填充體積下實現高導熱性。

       進展：（1）Du等通過(guo)(guo)對(dui)氮(dan)化硼（BN）蜂(feng)窩(wo)內的(de)金(jin)剛(gang)石進行(xing)對(dui)準(zhun)，得到了(le)1個類似豆莢(jia)狀(zhuang)的(de)三維互聯(lian)熱滲透(tou)(tou)網絡(luo)。采(cai)用冰模(mo)板(ban)(ban)法制(zhi)備了(le)BN蜂(feng)窩(wo)，接著將環(huan)氧(yang)樹脂和(he)(he)金(jin)剛(gang)石同時通過(guo)(guo)真空滲透(tou)(tou)加入到BN模(mo)板(ban)(ban)中。測試結果顯示，當BN含(han)量為(wei)7%，金(jin)剛(gang)石含(han)量為(wei)12%時，復(fu)合材料的(de)導熱率高達2.720W/mK，分別是純環(huan)氧(yang)樹脂和(he)(he)隨機混合樣品的(de)12.5倍和(he)(he)5.8倍，制(zhi)備過(guo)(guo)程(cheng)下圖(tu)所示。

       （2）Liu等(deng)采用碳化硅泡沫為(wei)模板，搭(da)配液態硅滲入制備了以(yi)金剛(gang)石(shi)(shi)為(wei)三維連(lian)接金剛(gang)石(shi)(shi)/SiC復(fu)合材(cai)料(liao)。研究結果表明，當(dang)金剛(gang)石(shi)(shi)填充含量(liang)為(wei)26%時，三維結構的金剛(gang)石(shi)(shi)/SiC復(fu)合材(cai)料(liao)的熱導率可(ke)達(da)到298W/mK。

       優勢：適用于(yu)多種基體材料，可(ke)確保(bao)金(jin)剛(gang)石均(jun)勻分布(bu)，優化導熱路徑(jing)，降低界面熱阻。

       3、電沉積技術

       原理：電沉積技術是一種基(ji)于電化學(xue)原理的制備(bei)方法，可以(yi)通(tong)過在試樣(yang)表面均勻(yun)沉積材(cai)(cai)料，從而實現對復合材(cai)(cai)料結構的精確(que)控制。

       進展(zhan)：（1）Cho等采用電(dian)沉(chen)積技術制備(bei)得(de)到了(le)碳化鈦包裹金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)/銅復合(he)材料，制備(bei)過程如(ru)下圖(tu)所(suo)示(shi)。測試(shi)結(jie)果(guo)顯示(shi)，在(zai)68.2%金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)時(shi)，觀察到的(de)最大熱導(dao)(dao)率(lv)為(wei)454W/mK。為(wei)了(le)進一步提高(gao)導(dao)(dao)熱率(lv)，在(zai)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)顆(ke)粒上(shang)進行了(le)碳化鈦涂(tu)層(ceng)。在(zai)電(dian)沉(chen)積銅基體中嵌入TiC涂(tu)層(ceng)金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)顆(ke)粒，在(zai)34.7%時(shi)的(de)熱導(dao)(dao)率(lv)提高(gao)到557W/mK，比(bi)純銅的(de)400W/mK高(gao)出40%。

       （2）Hagio等采(cai)用電沉(chen)(chen)積方法在金(jin)剛(gang)石表面沉(chen)(chen)積碳化硅涂(tu)層(ceng)(ceng)并(bing)制備得(de)到(dao)了金(jin)剛(gang)石/銅(tong)復(fu)合(he)材料。試驗結果表明，沉(chen)(chen)積2.72 %碳化硅涂(tu)層(ceng)(ceng)包(bao)裹納米金(jin)剛(gang)石/銅(tong)復(fu)合(he)材料的(de)熱導(dao)率比純(chun)銅(tong)鍍層(ceng)(ceng)高46 W/mK。微觀下(xia)，金(jin)剛(gang)石與銅(tong)基體之間會出現明顯(xian)的(de)間隙，而沉(chen)(chen)積碳化硅包(bao)裹的(de)金(jin)剛(gang)石和(he)銅(tong)基體則不會出現間隙。

       適(shi)用范圍：常(chang)適(shi)用于金屬基(ji)材，可協同沉積金剛石和其(qi)他(ta)金屬離子起(qi)到保護作(zuo)用。

       4、燒結技術

       原理：燒(shao)結技術是(shi)一種通過高溫(wen)處理原材(cai)料，使其顆粒相互結合形成致密塊狀材(cai)料的過程。

       進(jin)展：（1）Wu等利用燒(shao)結技(ji)術(shu)開發了一種以氮(dan)化(hua)硅（氮(dan)化(hua)硅）為襯底(di)和(he)金(jin)剛石顆粒(li)作為增(zeng)強相(xiang)的新型復(fu)合材料， 以提高(gao)導熱性(xing)和(he)力學性(xing)能，具體制備過(guo)程如下圖所(suo)示。測試結果(guo)表明，在金(jin)剛石含量為50%時(shi)，最大熱導率為 201.96 W/mK，比氮(dan)化(hua)硅陶瓷高(gao)272.87%。此外，與一些當代基材相(xiang)比，該復(fu)合材料具有更好的硬度 （32.84GPa）和(he)較低的CTE（3.07×10-6 K-1）。

       （2）Jhong等采用無壓(ya)燒結法制備了金剛石/銀(yin)-鈦復(fu)合(he)材料，少量(liang)的Ti有(you)效地(di)改善了金剛石和銀(yin)基體之(zhi)間的潤濕性。當填(tian)充60%金剛石（300μm/銀(yin)和1.5%鈦時，復(fu)合(he)材料的熱(re)導率可達953W/mK。

   ;    挑戰(zhan)：通常(chang)需要高溫，可能(neng)導致材料氧化、相變(bian)或(huo)不穩定，且確保金剛(gang)石均勻分散具有挑戰(zhan)性。

       5、測控濺射技術

       原理：磁(ci)控濺射技術(shu)是利用磁(ci)場和電場來操控靶材(cai)(cai)表面(mian)的(de)離子化過程，產生等離子體并將靶材(cai)(cai)原子沉積到材(cai)(cai)料表面(mian)上(shang)。

       進展：（1）Liu等采用磁控濺射法將Cu/Cr雙層(ceng)膜沉積在單晶金(jin)剛(gang)石(shi)襯底上，形成(cheng)Cu/Cr/金(jin)剛(gang)石(shi)夾層(ceng)結(jie)構(gou)，具體示意流程(cheng)如下圖(tu)所示。實(shi)驗(yan)結(jie)果顯示，與未改性的(de)Cu/金(jin)剛(gang)石(shi)結(jie)構(gou)相比(bi)，Cr層(ceng)增(zeng)(zeng)加(jia)了Cu和(he)金(jin)剛(gang)石(shi)之間的(de)界(jie)(jie)面熱阻值。隨著Cr3C2層(ceng)厚度的(de)增(zeng)(zeng)加(jia)，界(jie)(jie)面熱阻值下降到(dao)86MW/（m2·K）。

       （2）Yang等采用磁(ci)控濺射(she)法在(zai)金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)顆(ke)粒上制(zhi)備(bei)(bei)了厚度(du)范圍為35~130 nm的(de)(de)(de)鎢涂(tu)層(ceng)(ceng)，然后采用真空入滲法制(zhi)備(bei)(bei)了金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)/鋁復合材(cai)料。制(zhi)備(bei)(bei)的(de)(de)(de)鎢涂(tu)層(ceng)(ceng)在(zai)金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)顆(ke)粒的(de)(de)(de)各個方面(mian)都光滑致密。此外(wai)，鎢涂(tu)層(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)存在(zai)抑制(zhi)了界面(mian)脫鍵現象，改善了金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)顆(ke)粒與鋁基體之間的(de)(de)(de)界面(mian)結合。當鎢涂(tu)層(ceng)(ceng)為45nm時，金(jin)(jin)剛石(shi)(shi)/鋁復合材(cai)料達到了最大的(de)(de)(de)熱導率（622W/mK）。

       優勢：磁控(kong)(kong)濺射(she)技(ji)術允許精確控(kong)(kong)制薄(bo)膜的(de)厚(hou)度和(he)(he)均勻性(xing)；磁控(kong)(kong)濺射(she)產生的(de)薄(bo)膜通常(chang)具有(you)較高的(de)結晶質量和(he)(he)致密性(xing)，這(zhe)有(you)助于提高導熱性(xing)能；磁控(kong)(kong)濺射(she)技(ji)術可以應用于復雜的(de)基底結構(gou)，包括三維結構(gou)和(he)(he)微納米結構(gou)。

       6、化學氣相沉積技術（CVD）

       原理：CVD是一種通過氣(qi)相反(fan)應在(zai)固體表面沉積薄(bo)膜或涂層的方法(fa)。CVD過程的參數可以精(jing)確控制(zhi)，包括(kuo)反(fan)應氣(qi)體組成、壓力、溫度等。這(zhe)使得制(zhi)備金剛石導熱復合材料的工藝條件可以根據(ju)需求進(jin)行優化，以實現(xian)更好的性能(neng)。

       進展：（1）Jiao等首先通過(guo)CVD技術在(zai)泡沫骨架表(biao)面(mian)沉積連續的(de)金剛(gang)石(shi)(shi)薄膜層，然后以鎳(nie)顆粒(li)為(wei)催化劑，在(zai)金剛(gang)石(shi)(shi)薄膜上垂直生(sheng)長碳(tan)納米(mi)(mi)管(guan)。碳(tan)納米(mi)(mi)管(guan)延伸(shen)到泡沫骨架內部的(de)孔內，作為(wei)次級傳(chuan)熱途徑，制備過(guo)程如(ru)下圖所(suo)示。結果(guo)表(biao)明，石(shi)(shi)蠟/金剛(gang)石(shi)(shi)泡沫/碳(tan)納米(mi)(mi)管(guan)復合材料(liao)（PWs/DF-CNT）具(ju)有5.3 W/mK，是石(shi)(shi)蠟基體的(de)19.6倍；PWs/DF-CNT的(de)潛熱為(wei)83.37 J/g。

       （2） Ye等提出了一種由熱燈絲化學(xue)氣(qi)相(xiang)沉(chen)積（HFCVD）制(zhi)備的(de)宏觀多孔結構(gou)金(jin)剛石(shi)(shi)泡(pao)沫的(de)熱管理(li)方法。結果表明，當填充1.2%（質量分數）金(jin)剛石(shi)(shi)時，環(huan)氧/DF復合材料的(de)熱導率(lv)從0.23W/mK（純環(huan)氧樹脂）提高到2.28W/mK。

       特點：利用CVD可以直接在(zai)基體上沉積金(jin)剛石(shi)，從(cong)而提(ti)(ti)高基體的(de)熱管理性(xing)(xing)能(neng)，但若要大幅度(du)提(ti)(ti)高復合(he)材(cai)料的(de)導熱性(xing)(xing)能(neng)，可以結(jie)合(he)模(mo)板法、3D打印、靜(jing)電紡絲(si)等來構筑金(jin)剛石(shi)增強(qiang)三維網絡(luo)結(jie)構。 

   不同方法對比小結