diamldal復(fù)合材料的研究進展

diamldal復(fù)合材料的研究進展

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，電子設(shè)備的集成度和發(fā)熱量越來越高。溫度過高已成為影響設(shè)備精度和設(shè)備故障率的重要因素之一，這對電子密封材料的耐熱性提出了更高的要求。同時,電子元器件熱循環(huán)工作時易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力,若電子封裝材料和半導(dǎo)體芯片之間熱膨脹系數(shù)(Coefficientofthermalexpansion,CTE)不匹配,易導(dǎo)致電子元器件熱疲勞失效。而對于航空航天材料來說,希望電子封裝材料具有較低的密度以節(jié)約成本。因此,高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)和輕量化是發(fā)展現(xiàn)代電子封裝材料必須考慮的三大基本要素。電子封裝材料主要包括塑料封裝材料、陶瓷封裝材料、金屬及金屬基復(fù)合材料。其中,金屬基復(fù)合材料以金屬或合金為基體,以高性能第二相為增強體,能夠充分發(fā)揮各自組元的優(yōu)良性能,成為電子封裝行業(yè)研究熱點之一。表1所列為常用金屬和金屬基電子封裝材料的主要性能。其中,Al、Cu雖然熱導(dǎo)率較高,但熱膨脹系數(shù)太高。Kovar和Invar合金的熱膨脹系數(shù)雖較低,但熱導(dǎo)率太低,密度較高。Al/Si、Al/SiC、Cu/W和Cu/ZrW2O8等復(fù)合材料具有與Si、GaAs等半導(dǎo)體材料相匹配的熱膨脹系數(shù),但其熱導(dǎo)率最高為200W/(m·K),越來越難以滿足未來大功率集成電路的要求。因此,傳統(tǒng)電子封裝材料因其本身性能的局限性很難滿足現(xiàn)代電子信息工業(yè)對封裝材料高性能和高可靠性的發(fā)展需求,迫切需要研發(fā)具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、低密度及良好綜合性能的新型電子封裝材料。高導(dǎo)熱金剛石/金屬基復(fù)合材料是以具有高導(dǎo)熱系數(shù)的金剛石為增強相,與Al、Cu、Ag等金屬基體復(fù)合而成的一類新型材料,因其優(yōu)異的性能而成為當(dāng)前研究熱點之一。金剛石具有最高的熱導(dǎo)率(1300~2200W/(m·K)),低的熱膨脹系數(shù)(0.8×10-6~1.5×10-6K-1)和高的彈性模量等優(yōu)良性能。隨著人造金剛石合成技術(shù)不斷成熟,金剛石顆粒價格已大幅降低(<2000元/kg),單位體積金剛石顆粒的價格已接近甚至低于W、Mo等難熔金屬的價格,可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。在各種金屬材料中,Ag和Cu的熱導(dǎo)率較高,但存在成本和密度高等問題,而鋁具有密度低、熱導(dǎo)率高、成本低、耐腐蝕和易加工等優(yōu)點,是電子封裝領(lǐng)域廣泛使用的一種散熱材料。因此,將金剛石作為增強體和鋁制備成復(fù)合材料,可以將金剛石和鋁的特性結(jié)合起來,獲得具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)和低密度的封裝材料。美國、日本和英國等發(fā)達國家已開始將diamond/Cu、diamond/Al等第四代封裝材料應(yīng)用在軍用便攜計算機、高性能服務(wù)器、航空航天電子設(shè)備、光電子系統(tǒng)及離子顯示器等領(lǐng)域。本文作者總結(jié)diamond/Al復(fù)合材料最新研究進展,分析擠壓鑄造、浸滲法和放電等離子燒結(jié)制備方法的優(yōu)、缺點,討論熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)等熱物理性能的影響因素,并指出現(xiàn)階段存在的問題及未來發(fā)展方向。1國內(nèi)外電子封裝研究Diamond/Al復(fù)合材料具有高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)和低密度等優(yōu)異性能,具有廣闊的應(yīng)用前景,已成為國內(nèi)外電子封裝領(lǐng)域研究重點和發(fā)展方向。國內(nèi)外學(xué)者對其進行大量研究,取得豐碩成果。1.1diamwd/al復(fù)合材料對于diamond/Al復(fù)合材料的研究國外起步較早,主要集中在美國、日本和瑞士等發(fā)達國家,研究成果也較多。JOHNSON等最早采用無壓浸滲法制備金剛石體積分數(shù)為50%的diamond/Al復(fù)合材料,同時采用化學(xué)氣相浸滲法(Chemicalvaporinfiltration,CVI)在金剛石表面沉積SiC保護層,以防止制備過程中生成Al4C3,其熱導(dǎo)率為225~259W/(m·K),熱膨脹系數(shù)為4.5×10-6~6.8×10-6K-1。之后,眾多研究者采用浸滲法制備diamond/Al復(fù)合材料,并進行系統(tǒng)研究。BEFFORT等研究diamond/Al復(fù)合材料的結(jié)合機理,采用氣壓熔滲法制備金剛石體積分數(shù)為60%的diamond/Al復(fù)合材料,其熱導(dǎo)率為375W/(m·K),熱膨脹系數(shù)為7×10-6K-1,同時研究表明,在鋁基體中添加7.0%(質(zhì)量分數(shù))的硅,可有效改善復(fù)合材料的性能。WEBER等采用氣壓浸滲法制備diamond/Al復(fù)合材料,選用金剛石粒徑為350μm、體積分數(shù)為63%時,其熱導(dǎo)率高達760W/(m·K),為目前最高值。目前,PLANSEE公司已小批量生產(chǎn)出高性能diamond/Al復(fù)合材料,其熱導(dǎo)率為350~500W/(m·K),密度為3.0g/cm3,廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。近年來,材料研究者采用放電等離子燒結(jié)工藝(Sparkplasmasintering,SPS)制備diamond/Al復(fù)合材料,取得了一定成果。MIZUUCHI等采用SPS工藝制備金剛石體積分數(shù)為50%的diamond/Al復(fù)合材料,并于798~876K、80MPa下長時間保持材料固液共存狀態(tài)進行燒結(jié),其熱導(dǎo)率達552W/(m·K)。1.2金屬化處理國內(nèi)對此類材料的應(yīng)用方向主要局限于磨具制造和金剛石工具方面,而對于高導(dǎo)熱diamond/Al復(fù)合材料的制備與性能研究起步相對較晚,目前主要集中在北京科技大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)和北京有色金屬研究總院等科研機構(gòu)。梁雪冰等在550℃、30MPa條件下采用SPS工藝制備金剛石體積分數(shù)為50%的diamond/Al復(fù)合材料,但其致密度較低,熱導(dǎo)率僅為182W/(m·K)。同時研究金剛石粒徑、成分配比和工藝參數(shù)對復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響。為改善金剛石與鋁合金之間的界面結(jié)合,研究者在金剛石表面金屬化處理和添加合金元素方面做了大量工作。沈曉宇等和馮達等對金剛石進行表面鍍Ti處理,研究結(jié)果表明,金剛石表面鍍Ti處理可有效降低復(fù)合材料的界面熱阻,改善金剛石和鋁基體之間的界面結(jié)合,進而提高復(fù)合材料熱導(dǎo)率。陳代剛等采用氣壓浸滲法制備體積分數(shù)為60%的diamond/Al復(fù)合材料,研究不同鍍層厚度和不同粒徑對復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響。研究結(jié)果表明,復(fù)合材料臨界鍍層厚度為1.5μm,當(dāng)鍍層厚度超過臨界厚度時,隨著鍍層厚度增加,復(fù)合材料熱導(dǎo)率減小;金剛石粒徑越小,鍍層厚度對復(fù)合材料熱導(dǎo)率影響越大。甘可可等在700℃條件下采用浸滲法制備diamond/Al復(fù)合材料,通過在預(yù)制件加入Ti、Cr和B元素改善鋁和金剛石的潤濕性,制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率為400W/(m·K)。TAN等采用真空熱壓法(Vacuumhotpressing,VHP)制備金剛石體積分數(shù)為20%~55%的diamond/Al復(fù)合材料,并研究燒結(jié)溫度、燒結(jié)時間、金剛石含量以及不同制備方法對其熱導(dǎo)率的影響,其熱導(dǎo)率為320~547W/(m·K)。2金剛石顆粒與固體體的界面結(jié)合Diamond/Al復(fù)合材料作為第四代電子封裝材料,是當(dāng)今最具有潛力的電子封裝材料之一,其制備過程中要解決的主要問題是保證金剛石顆粒與基體具有良好的界面結(jié)合。目前其制備方法主要有擠壓鑄造法、浸滲法和放電等離子燒結(jié)法等。2.1入液體金屬或合金擠壓鑄造(Squeezecasting)又稱液態(tài)模鍛,是一種使液態(tài)或半固態(tài)金屬在高壓下充型和凝固的精確成形技術(shù),其基本原理如下:按零件形狀制作增強體預(yù)制件,將預(yù)制件放入鑄型后澆入液態(tài)金屬或合金,液體在壓頭作用下滲入預(yù)制件。采用擠壓鑄造法制備金屬基復(fù)合材料有兩項關(guān)鍵技術(shù):預(yù)制塊制備和擠壓鑄造工藝參數(shù)選擇。BEFFORT等采用擠壓鑄造法制備diamond/Al-Si復(fù)合材料,由于兩者之間僅僅是機械結(jié)合,其熱導(dǎo)率僅為130W/(m·K),研究發(fā)現(xiàn)在氫氣保護氣氛下,可減輕金剛石熱性能的損失。擠壓鑄造技術(shù)具有工序簡單、節(jié)約材料及制件組織細密等優(yōu)點,是一種節(jié)能型液態(tài)成形技術(shù)。但擠壓鑄造技術(shù)存在擠壓鑄件質(zhì)量輕,質(zhì)量不穩(wěn)定,難以制造復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件等缺點,因此,擴大應(yīng)用領(lǐng)域,使鑄件大型化、優(yōu)質(zhì)化和自動化是其未來的發(fā)展方向。2.2diamwd/al復(fù)合材料熱導(dǎo)率浸滲法又稱為熔滲法,分為壓力浸滲法和無壓浸滲法。浸滲法基本原理為:將高熔點增強體顆粒制成預(yù)制件,在可控氣氛中將基體合金放在增強體預(yù)制件上部或下部,在金屬熔點以上保溫,然后采用高壓氣體將低熔點金屬液壓入預(yù)制件中或依靠毛細管力和界面反應(yīng)的作用滲入預(yù)制件中,最終形成復(fù)合材料。馮號等采用氣壓浸滲法制備鍍Ti金剛石顆粒增強鋁基復(fù)合材料,其熱膨脹系數(shù)為7×10-6~8.5×10-6K-1。劉永正等采用無壓浸滲法制備diamond/Al復(fù)合材料,浸滲溫度800℃,保溫時間2h,其熱導(dǎo)率最高達到559W/(m·K),熱膨脹系數(shù)為4.37×10-6K-1,并研究浸滲溫度、金剛石粒徑、品級和體積分數(shù)對復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響。浸滲法具有材料密度較高、基體對增強體的潤濕效果好、生產(chǎn)周期短、成本低、效率高、能夠制造大尺寸及形狀復(fù)雜制品等優(yōu)點,因此受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。但浸滲法需要增強體和基體具有良好的潤濕能力,且增強體與熔融金屬在高溫下接觸時間過長時,易導(dǎo)致金剛石的熱損傷,從而影響金剛石增強體性能。擠壓鑄造法和浸滲法屬于液態(tài)法,采用液態(tài)法制備復(fù)合材料,由于溫度較高,制備過程中易發(fā)生界面反應(yīng),生成具有吸濕性和脆性的Al4C3,易發(fā)生如下反應(yīng):因此,Al4C3在潮濕環(huán)境下易吸濕而使材料粉化失效,且其熱導(dǎo)率遠低于鋁合金和增強體的熱導(dǎo)率,在界面處很容易成為復(fù)合材料熱擴散的阻礙,對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能不利,制備過程中應(yīng)盡量避免生成Al4C3。為獲得顆粒-基體潤濕性好、增強體體積分數(shù)高、界面結(jié)合適當(dāng)及性能良好的金屬基復(fù)合材料,應(yīng)合理控制工藝參數(shù)。2.3sps改性法放電等離子燒結(jié)(SPS)是一種快速燒結(jié)新工藝,其基本原理如下:將金屬等粉末裝入石墨等材質(zhì)制成的模具內(nèi),利用上、下模沖及通電電極將特定燒結(jié)電源和壓制壓力施加于燒結(jié)粉末,經(jīng)放電活化、熱塑變形和冷卻完成制備高性能材料。SPS可通過調(diào)節(jié)承壓導(dǎo)電模具上的脈沖直流電,從而控制燒結(jié)溫度和升溫速度。同時,SPS可有效利用熱壓燒結(jié)的焦耳熱、加壓造成的塑性變形和粉體顆粒間放電產(chǎn)生的自發(fā)熱作用促進燒結(jié)過程,提高工作效率。沈曉宇等采用SPS工藝制備diamond/Al復(fù)合材料,采用先加壓后送熱的加壓方式,在50MPa、610℃條件下,最終獲得的材料致密度為99.7%,熱導(dǎo)率為486W/(m·K)。MIZUUCHI等采用SPS工藝制備金剛石體積分數(shù)為50%的diamond/Al復(fù)合材料,其熱導(dǎo)率達到552W/(m·K)。與液態(tài)法和傳統(tǒng)的燒結(jié)方法相比,SPS工藝具有快速、低溫、高效率、組織結(jié)構(gòu)可控及節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點,且由于溫度低,不會生成對復(fù)合材料熱導(dǎo)率不利的Al4C3,因此引起國內(nèi)外廣泛重視。但采用SPS工藝制備高體積分數(shù)增強體diamond/Al復(fù)合材料時,材料致密度大幅下降,熱導(dǎo)率隨之降低。因此,如何制備高體積分數(shù)增強體diamond/Al復(fù)合材料并提高其致密度是未來研究的重點。2.4熱壓法制備diamwd/al復(fù)合材料賈成廣等提出采用金剛石顆粒與鋁箔排布制備diamond/Al雙相各自連續(xù)高導(dǎo)熱復(fù)合材料的新思路。為提高試樣密度,采用SPS工藝進行致密化處理。研究結(jié)果表明,復(fù)合材料在鋁-金剛石雙相各自連續(xù)方向(并聯(lián)結(jié)構(gòu))上的導(dǎo)熱能力明顯優(yōu)于其垂直方向(串聯(lián)結(jié)構(gòu)),并聯(lián)結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率大約為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的3倍。TAN等采用真空熱壓法(VHP)制備diamond/Al復(fù)合材料,在650℃、67MPa條件下燒結(jié)90min,選用金剛石體積分數(shù)為20%~55%時,其熱導(dǎo)率為320~567W/(m·K)。與浸滲法和SPS相比,VHP方法燒結(jié)溫度適中,燒結(jié)時間長,不會生成脆性和不穩(wěn)定的Al4C3,并可獲得更強的界面結(jié)合力,是一種制備diamond/Al復(fù)合材料可行且有效的方法。3影響因素：diamod-al材料性能的影響因素3.1熱導(dǎo)率3.1.1界面導(dǎo)熱系數(shù)h金屬基復(fù)合材料中金屬基體和增強體導(dǎo)熱機理不同。金屬鋁靠電子導(dǎo)熱,而金剛石屬于非金屬材料,靠聲子導(dǎo)熱。金剛石/金屬基復(fù)合材料的組分、缺陷和金剛石與金屬間的界面將影響電子和聲子導(dǎo)熱的傳遞,從而影響復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。一般可以用H-J模型預(yù)測復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。H-J模型假設(shè)增強體顆粒為球形,在Maxwell模型的基礎(chǔ)上引入界面導(dǎo)熱系數(shù)的概念,其表達式為式中:λc、λm和λd分別為復(fù)合材料、基體和增強體顆粒的熱導(dǎo)率;Vd為增強體顆粒所占的體積分數(shù);a為增強體顆粒的粒徑;h為界面導(dǎo)熱系數(shù)。FLAQUER等和CHU等進一步考慮增強體顆粒形狀的影響,基于H-J模型給出了界面導(dǎo)熱系數(shù)h的計算公式:式中:S001和S111分別為{001}面和{111}面占整個金剛石界面的百分比;h001和h111為金剛石{001}面和{111}面的界面本征熱導(dǎo)率,分別為1.0×108W/(m·K)和1.0×107W/(m·K)。由式(3)和(4)可知,復(fù)合材料的熱導(dǎo)率與基體、增強體的性質(zhì),以及增強體體積分數(shù)、分布、尺寸形狀和界面結(jié)合狀態(tài)有關(guān),而界面狀態(tài)又受到制備工藝影響。3.1.2金剛石級別對復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響復(fù)合材料熱導(dǎo)率與金剛石本征熱導(dǎo)率密切相關(guān)。而金剛石熱導(dǎo)率主要受純度、結(jié)晶度和晶粒大小等因素影響。根據(jù)金剛石的晶型完整性、晶體內(nèi)雜質(zhì)含量不同,金剛石可分為不同品級。不同品級的金剛石熱導(dǎo)率會有差異,從而影響制備的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。低品級的金剛石粉末形狀不規(guī)則,晶型不完整,表面上存在很多缺陷,且晶體中含有較多雜質(zhì),故金剛石顆粒的本征熱導(dǎo)率較低;反之,高品級金剛石晶型完整,缺陷較少和雜質(zhì)含量較低,故其本征熱導(dǎo)率較高,相應(yīng)的金剛石/金屬基復(fù)合材料的熱導(dǎo)率也較高。劉永正等采用無壓浸滲法制備diamond/Al復(fù)合材料,并比較普通研磨級、MBD4(Diamondgrainsformetalbondtool)和SMD(Diamondgrainsformetalbondsaw)3種不同品級金剛石顆粒對熱導(dǎo)率的影響,如表2所列,其中SMD品級的熱導(dǎo)率最高,MBD的次之,普通研磨級的最低。由表2可知,增強體顆粒品級越高,所制備的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率越高,采用MBD4和SMD品級的金剛石顆粒制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率分別是采用普通研磨級金剛石為原料所制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率的1.32和1.88倍。但金剛石品級越高,其制備工藝越復(fù)雜,成本越高,因此需要綜合考慮產(chǎn)品的各項性能指標和成本等各項因素,盡可能在降低成本的同時保證產(chǎn)品的性能。金剛石的粒徑大小對復(fù)合材料熱導(dǎo)率也有重要影響。由H-J模型可知,顆粒的粒徑具有一個臨界值a0:當(dāng)顆粒的平均粒徑大于a0時,復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨著顆粒尺寸的增大而提高;當(dāng)顆粒的平均粒徑小于a0時,熱導(dǎo)率隨顆粒尺寸的增大而降低。BEFFORT等通過比較不同合成環(huán)境下金剛石的質(zhì)量損失速率和形貌,發(fā)現(xiàn)微米級的人造金剛石最適合做增強相來制備diamond/Al復(fù)合散熱材料。KHALID等在制備diamond/Al復(fù)合材料時得出的結(jié)果與之類似。梁雪冰等采用平均粒度為40、70和100μm3種粒徑的金剛石顆粒和鋁粉制備diamond/Al復(fù)合材料,發(fā)現(xiàn)在相同工藝條件下,隨著金剛石粒徑的增大,樣品熱導(dǎo)率先升高后降低,其中70μm金剛石樣品熱導(dǎo)率最高。這是因為當(dāng)金剛石顆粒過小時,鋁和金剛石顆粒之間的相對界面增加,必然導(dǎo)致界面熱阻增大,從而使材料的熱導(dǎo)率降低;反之,當(dāng)金剛石顆粒粒徑過大時,顆粒之間的空隙變大,鋁基體粉末難以充分填充空隙,且鋁對金剛石表面潤濕性較差,難以依靠毛細管力滲入金剛石顆粒之間的空隙中,材料的致密度降低,導(dǎo)致樣品熱導(dǎo)率下降。因此,為獲得高導(dǎo)熱復(fù)合材料必須選擇大小合適的金剛石粒徑。由于金剛石熱導(dǎo)率遠高于鋁合金基體的,在界面結(jié)合良好的情況下,復(fù)合材料的熱導(dǎo)率隨金剛石體積分數(shù)增加而升高。表3所列為800℃條件下采用無壓浸滲技術(shù)制備的含不同體積分數(shù)金剛石的diamond/Al復(fù)合材料熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)。由表3可知,在一定范圍內(nèi),金剛石體積分數(shù)越高,復(fù)合材料的密度和熱導(dǎo)率越高。但采用SPS工藝制備金剛石體積分數(shù)在60%以上的復(fù)合材料較為困難,隨著金剛石體積分數(shù)的增加,金剛石顆粒間缺少足夠的鋁相進行填充粘結(jié),從而形成很多空隙,使材料致密度降低甚至無法固結(jié)成形,增大了界面熱阻,從而導(dǎo)致熱導(dǎo)率下降。3.1.3diamwd/al-cu復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響在基體金屬中加入適當(dāng)?shù)暮辖鹪?改善金屬基體與增強體的浸潤性,阻止有害的界面反應(yīng),形成穩(wěn)定的界面結(jié)構(gòu),是一種有效、經(jīng)濟的優(yōu)化界面及控制界面反應(yīng)的方法。在選擇加入基體中的合金元素時,應(yīng)盡量避免選擇易參與界面反應(yīng)生成脆性相的元素,而選擇加入能夠提高界面穩(wěn)定性和改善增強體與金屬基體浸潤性的元素。制備鋁基金屬復(fù)合材料通常并不是采用純鋁而采用各種鋁合金。這主要是由于與純鋁相比鋁合金具有更好的綜合性能,至于選何種鋁合金作為基體,則往往根據(jù)實際中對復(fù)合材料的性能要求而定。馮達等對比diamond/Al和diamond/Al-Si復(fù)合材料的熱導(dǎo)率發(fā)現(xiàn),后者的熱導(dǎo)率遠高于前者的。這是因為基體中Si元素的加入可增加鋁對金剛石的潤濕性,增強界面結(jié)合力,且Si元素的加入有利于降低鋁合金的熔點,增加合金液的流動性,并有效降低燒結(jié)體的燒結(jié)溫度。WU等采用擠壓鑄造法合成diamond/Al復(fù)合材料,通過在鋁基體中添加Cu元素研究其對diamond/Al-Cu復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響。研究表明,雖然Cu的添加可降低鋁基體的熱導(dǎo)率,但也能降低鋁合金的熔點,并在鋁基體中生成Al2Cu,改善復(fù)合材料界面結(jié)合,使復(fù)合材料的熱導(dǎo)率大幅度提高,隨著鋁基體中Cu含量從0增加到3.0%(質(zhì)量分數(shù))時,復(fù)合材料熱導(dǎo)率從210W/(m·K)升高到330W/(m·K)。3.1.4模型材料熱導(dǎo)率金屬基復(fù)合材料界面反應(yīng)程度主要取決于制備工藝。因此,優(yōu)化制備工藝方法和嚴格控制工藝參數(shù)是改善界面結(jié)構(gòu)和控制界面反應(yīng)最重要的途徑。由于高溫下金屬基體和增強體元素的活性迅速增加,保溫溫度越高或時間越長,反應(yīng)越劇烈,因此,在制備工藝方法和工藝參數(shù)的選擇上首先應(yīng)考慮制備溫度、保溫時間和冷卻速度,同時其他工藝參數(shù)如壓力、氣氛等也不可忽視。綜上所述,必須綜合考慮制備方法的可操作性、經(jīng)濟性和有效性。不同制備方法制備的復(fù)合材料界面結(jié)構(gòu)會有差異,對聲子和電子導(dǎo)熱的阻礙不同,導(dǎo)致復(fù)合材料熱導(dǎo)率有明顯的差異。RUCH等分別采用氣壓浸滲法和擠壓鑄造法制備diamond/Al復(fù)合材料,熱導(dǎo)率最高分別為670和130W/(m·K)。造成熱導(dǎo)率巨大差別的原因是兩種方法所制備材料的界面結(jié)構(gòu)不同。圖1所示分別為兩種不同工藝條件制備的diamond/Al復(fù)合材料的斷口形貌。由圖1(a)可知,擠壓鑄造法制備的復(fù)合材料中金剛石顆粒表面光滑,兩相界面間有較大孔隙,說明兩相之間只是普通的機械結(jié)合,故熱導(dǎo)率較低;而由圖1(b)可知,氣壓浸滲法制備的復(fù)合材料中金剛石顆粒表面粗糙,粘結(jié)有鋁基體,兩相界面處聚集Si相(如圖1(b)中箭頭所示),說明界面和基體實現(xiàn)擴散結(jié)合,界面結(jié)合力強,從而提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。溫度對復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能有著重要的影響。溫度過低,鋁液流動性差或燒結(jié)驅(qū)動力不足,體系不能發(fā)生浸滲反應(yīng)或難以燒結(jié)。溫度過高,Al和金剛石反應(yīng)生成熱導(dǎo)率較低的Al4C3,且高溫條件下金剛石易發(fā)生石墨化,同時由于金剛石和Al的熱膨脹系數(shù)差別較大,冷卻過程中兩相收縮不一致,兩相發(fā)生剝離,導(dǎo)致致密度降低,從而影響復(fù)合材料熱導(dǎo)率。梁雪冰等分別選擇520、550和580℃燒結(jié)溫度制備diamond/Al復(fù)合材料,研究SPS過程中燒結(jié)溫度對復(fù)合材料性能的影響,研究結(jié)果表明,在SPS過程中,隨著燒結(jié)溫度升高,燒結(jié)體導(dǎo)熱性能和致密度均呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。因此,只有在合適的溫度下,燒結(jié)才能順利進行并減少界面剝離現(xiàn)象,材料的致密度才會提高,從而提高材料的熱導(dǎo)率。在制備過程中,粉末粒度配比、混合方式、氣氛保護等都會影響復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。沈曉宇等發(fā)現(xiàn),對diamond/Al混合粉末進行SPS時,鋁粉粒度配比影響混合粉末的均勻程度和燒結(jié)過程,采用粗、細鋁粉搭配有利于SPS過程的順利進行。CHU等研究SPS燒結(jié)前粉末混合方式對復(fù)合材料組織及熱導(dǎo)率的影響,發(fā)現(xiàn)機械混合30min和機械合金化10min都會導(dǎo)致材料熱導(dǎo)率下降,前者是由于孔洞較多,材料密度低,界面結(jié)合差,后者雖然材料密較高,但由于存在金剛石損傷以及摻入Fe雜質(zhì)等缺陷導(dǎo)致材料熱導(dǎo)率下降。研究結(jié)果表明,機械混合2h能夠獲得較高的致密度和熱導(dǎo)率。朱嘉琦等為避免混料過程中因采用陶瓷材料作為磨球引入雜質(zhì)從而導(dǎo)致復(fù)合材料熱導(dǎo)率的下降,開發(fā)了以金屬基材料作為磨球?qū)⒃蠞窕烨蚰サ墓に?使制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率得到明顯提高。3.1.5高導(dǎo)熱diamwd/al復(fù)合材料熱導(dǎo)率的研究界面的結(jié)構(gòu)和性能對金屬基復(fù)合材料的性能起關(guān)鍵作用,深入研究界面反應(yīng)和界面影響性能的規(guī)律是獲得優(yōu)異性能金屬基復(fù)合材料的重點。熱量在物體內(nèi)部以熱傳導(dǎo)的方式傳遞,在兩相界面處會發(fā)生散射,界面對熱傳導(dǎo)的阻礙作用稱為界面熱阻。由于金剛石與一般金屬和合金之間的界面能很高,因此金剛石和金屬的潤濕性差。Al只有在1000℃以上才能對金剛石有一定的潤濕性,但高溫下Al對金剛石有明顯的侵蝕作用。對于金剛石-純鋁體系,當(dāng)金剛石沒有進行有效的表面處理時,金剛石{111}晶面和{001}晶面上碳原子活性不同,使得基體鋁合金在金剛石不同晶面上存在選擇性粘附現(xiàn)象。如圖2所示,鋁基體只能選擇性地粘附在金剛石的{001}晶面上,而難以粘附到金剛石{111}晶面上。這些將導(dǎo)致復(fù)合材料界面結(jié)合力變差,產(chǎn)生微縫隙,使得界面熱阻增大,從而降低復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。因此,改善金剛石和Al基體的潤濕性,提高其界面結(jié)合力,減小界面熱阻,是制備高導(dǎo)熱diamond/Al復(fù)合材料的關(guān)鍵。為提高金剛石對Al的浸潤性,通常對金剛石進行表面金屬化處理,即在金剛石表面鍍覆金屬或合金使其具有金屬性能,其原理如下:金剛石表面與強碳化物形成元素在合適的工藝條件下將產(chǎn)生強烈的界面反應(yīng)生成碳化物層。鍍覆的金屬及合金主要有Ti、W、Cr、Mo、TiN和NiWB等。國外從20世紀70年代末開始研究金剛石表面金屬化技術(shù),國內(nèi)金剛石表面金屬化技術(shù)由林增棟研究成功并取得中國發(fā)明專利。此后,不少學(xué)者在這方面做了許多研究工作。金剛石表面金屬化的方法主要有化學(xué)鍍、電鍍、真空物理氣相沉積、真空化學(xué)氣相沉積和真空微蒸發(fā)鍍覆技術(shù)等,目前應(yīng)用于diamond/Al復(fù)合材料制備的金剛石金屬化技術(shù)主要是氣相沉積和真空微蒸發(fā)鍍覆技術(shù)。對于金剛石表面改性研究,目前的重點為表面改性的工藝選擇、所鍍物質(zhì)的選擇以及鍍層厚度和鍍層質(zhì)量的控制等。在金剛石表面改性方面,材料研究者做了大量工作。PICKARD等采用CVI工藝在金剛石顆粒表面鍍覆SiC保護層,有效降低界面熱阻,制備的diamond/Al復(fù)合材料熱導(dǎo)率達585~620W/(m·K)。張磊等采用無壓浸滲工藝制備diamond/Al復(fù)合材料,通過對金剛石顆粒采用鹽浴鍍鍍Ti或鍍Cr處理,改善金剛石和鋁合金的界面結(jié)合,其熱導(dǎo)率高達518W/(m·K),熱膨脹系數(shù)為4.61×10-6K-1。LIANG等從理論上研究和討論鍍層對diamond/Al復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響。研究結(jié)果表明,隨著界面層厚度的增加,特別是當(dāng)鍍層本身熱導(dǎo)率較低時,材料的熱導(dǎo)率將降低,若鍍層厚度趨近于零,則材料的熱導(dǎo)率將會很高。但鍍層厚度過低將導(dǎo)致界面結(jié)合力下降。Ni、TiC、Mo2C、SiC和Si等鍍層可顯著提高復(fù)合材料的熱導(dǎo)率,而Ag鍍層對復(fù)合材料導(dǎo)熱性能則會產(chǎn)生不利影響。WU等發(fā)現(xiàn),合適的Ti鍍層能夠有效提高界面結(jié)合力和diamond/Al復(fù)合材料的抗拉強度。TAN等對金剛石表面鍍W,利用VHP制備diamond/Al復(fù)合材料,選用金剛石體積分數(shù)為50%時,其熱導(dǎo)率為599W/(m·K),比未鍍W制備的復(fù)合材料熱導(dǎo)率高21%。3.1.6熱導(dǎo)率的影響B(tài)EFFORT等研究熱處理對diamond/AlSi7復(fù)合材料熱導(dǎo)率的影響,首先在540℃下保溫12h,然后隨爐冷卻至400℃,并保溫40h,之后空冷至室溫,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過上述熱處理過程后復(fù)合材料熱導(dǎo)率由343W/(m·K)提高到375W/(m·K)。3.2熱膨脹模型表征熱膨脹系數(shù)(CTE)是表征材料受熱時長度或體積變化程度的參量,它是電子封裝材料的重要熱物理性能之一。微電子領(lǐng)域中的電子封裝材料要求低的熱膨脹系數(shù)來減少器件中的熱應(yīng)力。由于鋁相與金剛石熱膨脹系數(shù)差別很大,隨著溫度升高,兩者之間會產(chǎn)生熱應(yīng)力,當(dāng)熱應(yīng)力累積到一定程度便會釋放,導(dǎo)致材料熱穩(wěn)定性下降,使材料變形或產(chǎn)生微裂紋。因此,必須選擇合適的制備工藝保證兩者之間良好的界面結(jié)合。對于各向同性組分構(gòu)成的復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)可以用TURNER和KERNER模型進行預(yù)測。1)Turner模型。在測量溫度范圍內(nèi),如果復(fù)合材料內(nèi)部沒有內(nèi)應(yīng)力存在且各組分材料協(xié)調(diào)變形,在交變溫度場內(nèi),復(fù)合材料內(nèi)部裂紋和空隙的數(shù)量和大小不發(fā)生變化,材料內(nèi)部產(chǎn)生的所有附加應(yīng)力均為壓應(yīng)力和拉應(yīng)力,這時復(fù)合材料的熱膨脹系數(shù)遵循Turner模型,其計算公式為2)Kerner模型。假定增強體為球形,周圍被一層均勻的基體所包圍,材料內(nèi)部晶界或相界面之間同時存在剪切和等靜應(yīng)力,則材料的熱膨脹系數(shù)遵循Kerner模型,其計算公式為式中:αc、αm和αp分別為復(fù)合材料、基體和增強體的熱膨脹系數(shù);Vm和Vp分別為基體和增強體的體積分數(shù);Km和Kp分別為