Al2O3涂层在Cu/金刚石复合材料上的气溶胶沉积

《Surface and Coatings Technology》：Aerosol deposition of Al2O3 coating on Cu/diamond composite

　　

张勇健|杨振英|郝金鹏|贾瓦德·莫斯塔吉米|托马斯·W·科伊尔|张海龙

北京科技大学先进金属材料与技术国家重点实验室，北京，100083，中国

摘要

铜/金刚石复合材料具有良好的热性能，但其导电性限制了其在高压设备中的实际应用。在本研究中，通过气溶胶沉积法在铜/金刚石复合材料上涂覆了Al₂O₃作为绝缘层。结果表明，Al₂O₃优先沉积在柔软的铜基体上，从而降低了复合材料的表面粗糙度。沉积过程从铜/金刚石界面开始，然后向金刚石表面中心扩展。随着金刚石粒径的减小，Al₂O₃的覆盖率提高，因为较小的金刚石颗粒提供了更大的铜与金刚石之间的界面面积。涂有Al₂O₃的复合材料在热循环下表现出出色的结构稳定性。一层厚度为9微米、电阻率为1.18×10¹² Ω·cm的致密Al₂O₃涂层将铜/金刚石复合材料（尺寸为10毫米×3毫米）的电阻从3.74×10^?6 Ω显著提高到了1.36×10⁹ Ω。尽管涂层后复合材料的导热率从814.8 W/mK略微下降到804.2 W/mK，但其值仍明显高于陶瓷材料。这些发现展示了一种新的、有前景的方法来利用致密陶瓷涂层对铜/金刚石复合材料进行绝缘，并为金属基体复合材料的氣溶胶沉积提供了新的见解。

引言

小型化和高功率密度的半导体组件的发展导致了大量的热量产生，从而对先进的热管理材料产生了很高的需求。金刚石颗粒具有1500–2200 W/mK的优异导热率和1.0×10^?6/K的低热膨胀系数，成为铜基复合材料的理想增强材料。制造铜/金刚石复合材料的一个主要挑战是铜与金刚石之间的化学亲和力较弱。然而，通过在铜/金刚石界面引入碳化物层[1]、[2]，这一问题得到了有效解决，实现了超过800 W/mK的高导热率和5–8×10^?6/K的可调节热膨胀系数[3]、[4]，使铜/金刚石复合材料成为高性能热管理应用的候选材料。

尽管铜/金刚石复合材料的导热率明显高于陶瓷材料，但其固有的导电性限制了其在高压设备（如绝缘栅双极晶体管IGBT和激光系统）中作为绝缘散热基材的应用。因此，开发有效的电绝缘方法已成为当务之急。Al₂O₃由于其1×10¹⁴ Ω·cm的高电阻率和与铜/金刚石复合材料兼容的热膨胀系数（6–9×10^?6/K），是一种有吸引力的材料。然而，传统的Al₂O₃烧结方法需要超过1200 K的高温[5]，这可能会引起热冲击并降低铜/金刚石复合材料的导热率[6]。其他涂层方法（如磁控溅射）的沉积速率仅为0.5–1 μm/h，不适合制备微米级的涂层。

气溶胶沉积（AD）是一种能够在室温下直接从块状粉末生成致密涂层的高沉积速率喷涂工艺，无需高温烧结[7]。该技术已在电池[8]、传感器[9]和电子元件[10]等多种领域展现出巨大潜力。高质量的Al₂O₃涂层已成功沉积在金属[11]、[12]、[13]、陶瓷[14]、[15]和玻璃基底[16]上。然而，由于缺乏锚定层，极硬基底上可能会发生涂层剥离[17]。由柔软的铜基体和坚硬的金刚石增强层组成的铜/金刚石复合材料由于其异质机械性能，给气溶胶沉积带来了额外挑战。此外，由于铜和金刚石之间的硬度差异较大，实现光滑的涂层表面也很困难。Hanft等人指出，气溶胶沉积涂层的表面形貌相对不依赖于基底表面，但受到基底和气溶胶颗粒硬度的显著影响[18]。Yang等人证明，气溶胶沉积可以有效填充图案化硅基底上的微凹陷，并生成平坦均匀的Al₂O₃涂层[19]，表明气溶胶沉积在粗糙的复合表面制备连续涂层具有潜力。然而，目前尚未有关于使用气溶胶沉积Al₂O₃涂层密封铜/金刚石复合材料的报道，也不清楚是否能够成功实现连续涂层。

节选内容

铜/金刚石复合材料的制备

作为增强材料，使用了平均粒径分别为54 μm、116 μm和272 μm的合成单晶金刚石颗粒（河南黄河旋风公司，中国）。通过磁控溅射在金刚石颗粒上沉积了金属Ti涂层，以改善铜基体与金刚石之间的界面结合。作为基体材料，使用了高纯度铜锭（99.99%纯度，中国铜博林有色金属技术公司）。铜/金刚石复合材料是通过气体压力法制备的

微观结构与相结构

如图1a所示，Al₂O₃粉末被鉴定为α-Al₂O₃。其粒径范围大致在0.1至2 μm之间（图1b）。经过球磨后，Al₂O₃颗粒聚集形成了平均粒径约为4 μm的不规则次级颗粒，在此放大倍数下很少观察到单个初级颗粒。这种聚集现象归因于高表面积颗粒之间的静电表面电荷和范德华力相互作用。

结论

通过气溶胶沉积成功在铜/金刚石复合材料上沉积了厚度为微米的Al₂O₃涂层。柔软且导电的铜基体完全被Al₂O₃涂层覆盖，而坚硬且绝缘的金刚石颗粒仅部分被覆盖。Al₂O₃在金刚石表面的沉积从铜-金刚石接触区域开始，然后逐渐向金刚石表面中心扩展。随着金刚石粒径的减小， overall涂层覆盖率提高

CRediT作者贡献声明

张勇健：撰写——原始草案、方法论、实验研究、资金获取、概念化。杨振英：撰写——审稿与编辑、方法论、实验研究。郝金鹏：实验研究。贾瓦德·莫斯塔吉米：指导。托马斯·W·科伊尔：指导、资金获取。张海龙：撰写——审稿与编辑、验证、指导、资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有任何已知的能够影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了以下机构的财政支持：中国国家自然科学基金（项目编号52401186）、山东省自然科学基金（项目编号ZR2024LGY001）、先进金属材料与技术国家重点实验室（项目编号2025-Z24、2025-Z32）以及加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC Discovery Grant项目编号RGPIN-2015-06377）。