超声波振动技术实现了高导热性能Cu/金刚石复合材料的低温制造

《Science China-Materials》：Ultrasonic vibration enabled cold manufacturing of high thermal conductive Cu/Diamond composites

Cu/Diamond复合材料的超声振动辅助冷加工制备方法，在室温（20% HTHP温度）和16MPa低压下实现，压力降低200-500倍，获得直接冶金结合界面和60%最大 diamond含量，热导率超1043 W/(m K)、热膨胀系数<10×10?? K?1，强度达150 MPa，支持复杂形状加工，热管理性能优于Al?O?和AlN。

　　

摘要

电子元件的发展对散热材料提出了更高的要求，这体现在对更高导热性和更低热膨胀系数的追求上。Cu/Diamond复合材料结合了优异的导热性能和加工可行性。然而，其制备过程受到严格条件的限制，如高温高压环境或复杂的中间介质涂层。本研究提出了一种无需热源的低温制造方法，能够在室温下、约16 MPa的低压环境下，通过超声振动在几秒钟内制备Cu/Diamond复合材料。该方法所需压力降低了200至500倍，且温度仅为常用的高温高压烧结（HTHP）方法的20%。实现了Cu颗粒界面之间的直接冶金结合以及金刚石在Cu基体中的固态嵌入，从而使复合材料具有较高的屈服强度（150 MPa）。按照所提出的策略，复合材料中金刚石的最大含量可达约60%，其导热性能超过1043 W/(m·K)，热膨胀系数小于10×10^?6 K^?1。此外，利用这种灵活的方法可以轻松制备出不同复杂形状的复合材料。散热性能测试表明，该复合材料在热管理方面优于商用Al₂O₃和AlN。研究结果证明，超声振动辅助的低温制造是一种简便高效的制备Cu/Diamond复合材料的方法，所得材料具有优异的性能；宽松的制备条件使其具有工业化生产的潜力。