中國粉體網(wǎng)訊 隨著具有高功率密度的高性能電子器件的快速發(fā)展，高效散熱正成為日益關(guān)鍵的問題。金剛石復合材料得到了廣泛的關(guān)注，被認為是下一代散熱器和電子封裝材料最具競爭力的候選材料。金剛石的晶體結(jié)構(gòu)是非常穩(wěn)定的共價鍵立方晶系，這種均勻、高度有序的晶體結(jié)構(gòu)使金剛石具有高度的硬度和穩(wěn)定性。金剛石單晶的熱導率可達到2000W/mK，遠遠超過傳統(tǒng)導熱材料，其在高溫環(huán)境中也能夠保持出色的導熱性能。然而，由于金剛石的高成本和脆性，單一應用受到了一定的限制。因此，通過將金剛石與其他材料復合，以獲得更為經(jīng)濟、實用且具有可塑性的材料，成為當前研究的熱點之一。
金剛石復合材料的種類
（一）金屬基金剛石復合材料
金屬基體與金剛石的組合應用廣泛。鋁基金剛石復合材料因鋁具有質(zhì)量輕、一定導電性及導熱性的特點，加入金剛石微粒后，硬度與耐磨性顯著提高。在航空航天領域，常用于制造飛行器機翼邊緣防護件、衛(wèi)星精密儀器支架，既能減輕重量，又可耐受微流星體撞擊及太空復雜環(huán)境造成的磨損；銅基金剛石復合材料充分利用銅優(yōu)良的熱傳導性能，多用于電子設備散熱，像電腦CPU散熱鰭片、5G基站功率模塊散熱器等，能夠有效驅(qū)散熱量，使設備維持低溫運行狀態(tài)，確保電子元件穩(wěn)定工作。
金屬基金剛石復合材料 圖源：海特信科官網(wǎng)
（二）陶瓷基金剛石復合材料
陶瓷基體為復合材料帶來耐高溫、化學穩(wěn)定性強的特性。碳化硅基金剛石復合材料硬度極高，接近天然金剛石，制成切削刀具后，可用于切削高硬度合金鋼、陶瓷材料，利于提升加工精度與效率。此外，金剛石/碳化硅復合材料還可以用于半導體基板、電阻器、熱敏電阻等電子元件等；氮化硼基金剛石復合材料熱穩(wěn)定性突出，適用于高溫爐襯里、半導體制造熱場部件，能承受上千攝氏度高溫，保持結(jié)構(gòu)完整，保障生產(chǎn)流程正常進行。
（三）聚合物基金剛石復合材料
柔性聚合物與堅硬金剛石的組合有獨特用途。環(huán)氧樹脂基金剛石復合材料制成的耐磨涂層，常用于汽車發(fā)動機活塞表面、工業(yè)傳送鏈條，可減少摩擦損耗，延長設備使用壽命；聚酰亞胺基金剛石復合板材兼具柔韌性、絕緣性及耐磨性，應用于柔性電子顯示屏、可穿戴設備關(guān)鍵部位，能保護內(nèi)部元件，適應反復彎折、拉伸的工況。
（四）碳基復合金剛石材料
碳纖維增強金剛石復合材料借助碳纖維高強度、高模量特性，用于網(wǎng)球拍、高爾夫球桿等體育器材時，受力性能良好，擊球瞬間能量傳遞高效，抗變形能力強；碳納米管-金剛石復合材料電學性能優(yōu)異，在微型傳感器、超級電容器電極領域有應用潛力，納米尺度下可加速電子轉(zhuǎn)移，提升器件靈敏度與儲能效率。
金剛石復合材料的制備方法
（一）粉末冶金法
粉末冶金法是傳統(tǒng)的制備路徑。先將金剛石粉末與金屬、陶瓷粉末依精準比例機械混合，均勻度關(guān)乎成品性能。隨后將混合粉末裝入特制模具，送入高溫高壓燒結(jié)爐。燒結(jié)過程中，高溫激活粉末原子擴散，高壓壓實顆粒間距，促使金剛石與基體形成牢固冶金結(jié)合。制備鎳基超硬合金鑲金剛石刀具時，添加適量硼、鈦等微量元素作燒結(jié)助劑，降低界面能，強化結(jié)合力，提升刀具切削韌性。
（二）化學氣相沉積（CVD）法
在密閉反應腔室里，氣態(tài)碳源（甲烷、乙炔等）在高溫、等離子體或熱絲激發(fā)下分解出碳原子。這些碳原子在基體表面沉積、結(jié)晶，逐步生長成金剛石薄膜。以硅晶圓為基體制造半導體散熱片時，精確調(diào)控反應腔溫度、氣體流量、等離子體功率等參數(shù)，確保碳原子均勻沉積，生成高質(zhì)量、連續(xù)致密的金剛石膜，提升芯片散熱效率。
（三）電鍍法
在含金剛石微粉的電鍍液體系中，以待鍍金屬工件為陰極，惰性電極作陽極。接通直流電后，電鍍液里金屬離子向陰極遷移、還原析出，裹挾懸浮金剛石顆粒一同沉積在工件表面。汽車模具電鍍鎳-金剛石復合層時，合理調(diào)整電流密度、電鍍時間，同時攪拌鍍液，讓金剛石均勻分散，增強模具脫模性能與耐磨性。
（四）原位合成法
借助化學反應原位生成金剛石并達成復合，自蔓延高溫合成（SHS）是典型代表。把金屬粉末與碳源按化學計量比混合、壓制成坯體，點燃坯體一端，化學反應釋放大量熱，瞬間營造高溫高壓環(huán)境，促使金剛石成核、生長并嵌入基體。制備發(fā)動機缸套時，此方法無需龐大外部熱源，高效快捷，契合復雜形狀構(gòu)件批量生產(chǎn)。
金剛石復合材料的應用領域
（一）散熱領域
高功率電子器件：金剛石具有極高的熱導率，是銅、銀的5倍左右，可快速將電子器件產(chǎn)生的熱量傳導出去。如在半導體激光器中，使用金剛石熱沉片能顯著提升散熱效果，降低熱阻，增強輸出功率并延長其使用壽命。
5G/6G通信設備：5G/6G通信設備中的射頻芯片等部件功率密度高，發(fā)熱量大。金剛石復合材料制成的散熱部件能有效解決這些部件的散熱問題，確保設備在高頻、高功率運行時的穩(wěn)定性和可靠性，提升通信質(zhì)量和效率。
新能源汽車：新能源汽車的動力系統(tǒng)、充電系統(tǒng)等會產(chǎn)生大量熱量，金剛石復合材料可用于制造汽車的散熱基板、散熱片等部件，提高散熱效率，延長相關(guān)部件的使用壽命，提升汽車的整體性能和安全性。
工業(yè)控制領域高功率IGBT模塊：在工業(yè)控制領域的高功率IGBT模塊中，金剛石作為散熱材料，有助于實現(xiàn)更高效的散熱和更高的功率密度，保障設備的穩(wěn)定運行。
（二）電子封裝領域
封裝基板：隨著微電子技術(shù)向高密度組裝、小型化發(fā)展，對封裝基板的熱導率、熱膨脹系數(shù)等性能要求越來越高。金剛石憑借高熱導率、低熱膨脹系數(shù)和良好的穩(wěn)定性，成為新一代封裝基板材料的關(guān)注焦點。通過將金剛石顆粒與Ag、Cu、Al等高導熱金屬基體復合，制備出的金剛石/金屬基復合材料已初步展現(xiàn)出其在電子封裝領域的巨大潛力。
導熱膠：在電子封裝中，導熱膠用于填充芯片與封裝外殼之間的間隙，提高熱量傳遞效率。將金剛石研磨成粉末加入到導熱膠中形成的金剛石復合導熱膠，具有良好的導熱性能和粘合性，能夠粘合半導體光放大器中的波導層與覆蓋層、光芯片的上表面和外殼等。
芯片散熱封裝結(jié)構(gòu)：金剛石復合材料可用于制造芯片散熱封裝結(jié)構(gòu)中的散熱部件，如散熱鰭片、散熱柱等，與傳統(tǒng)的散熱材料相比，能夠更有效地將芯片產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去，提高芯片的工作穩(wěn)定性和可靠性，同時還可以減小封裝結(jié)構(gòu)的尺寸，滿足電子設備小型化的需求。
（三）其他領域
切削刀具及耐磨件：金剛石復合片是采用金剛石微粉與硬質(zhì)合金基體在超高壓高溫條件下燒結(jié)而成的復合材料，既具有金剛石的高硬度、高耐磨性與導熱性，又具有硬質(zhì)合金的強度與抗沖擊韌性，是制造切削刀具、鉆井鉆頭及其他耐磨工具的理想材料。
光學窗口：金剛石在光學領域具有良好透光性和折射率，適用于制造光電器件的光學窗口，如紅外探測器、激光設備等的窗口材料，能夠承受高溫、高壓等惡劣環(huán)境。
生物醫(yī)學：金剛石具有良好的生物相容性和化學穩(wěn)定性，可用于制造生物醫(yī)學設備，如植入式醫(yī)療器械、生物傳感器等。
航空航天：航空航天領域?qū)Σ牧系男阅芤髽O高，金剛石復合材料因其高強度、高硬度、低密度、耐高溫等特性，可用于制造航空航天部件，如發(fā)動機葉片、機翼結(jié)構(gòu)件等。
金剛石復合材料憑借豐富種類、多元制備工藝，從微觀芯片散熱到宏觀航天裝備，從日常電子產(chǎn)品到前沿醫(yī)療領域，全方位滲透現(xiàn)代生活。未來，隨著制備技術(shù)的不斷進步和成本的不斷降低，金剛石復合材料有望在更多領域得到應用和推廣。
參考來源：
吳新鋒等：金剛石導熱復合材料的研究進展
祝平等: 金剛石/金屬復合材料界面改性研究進展
王翔宇等：金剛石／鋁復合材料的制備及其擴熱可靠性研究
中國粉體網(wǎng)
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