金刚石/铝复合材料的界面结构与导热性能

航天电子功率器件向小型化、轻量化、高功率密度、高效能方向发展,而散热问题已经成为制约电子设备可靠性和效率的关键,因此迫切需求低密度、高导热的热管理材料。本文利用挤压铸造方法设计并成功制备了具有超高导热特性的金刚石/铝复合材料。利用扫描电镜、透射电镜、激光导热系数测量和三点弯曲测试等多种手段,系统研究了复合材料的界面微观组织及形成机理、复合材料的力学行为、导热性能及热循环稳定性,并基于对界面热传输特性的分析和现有导热模型,提出一种金刚石/铝复合材料热导率预测的方法。根据Hasselman-Johnson模型,选用粒径40~200μm的金刚石颗粒作为研究对象;界面热阻的计算表明,界面相Al4C3的厚度小于840nm时,对复合材料的热传导是有利的。为了实现金刚石与铝的充分润湿和反应控制,基于界面反应动力学原理,设计采用延长保压时间、提高浸渗温度、降低冷却速度工艺,实现了复合材料的致密化和界面结构调控,获得了超高导热性能。显微组织观察表明,通过制备工艺调节,金刚石/铝复合材料的界面结合实现了由完全脱粘界面结合向选择性界面结合、完全粘附界面结合的转变。透射组织观察表明,完全粘附界面结合的复合材料中,金刚石(111)/铝为直接结合型界面;金刚石(100)/铝界面处存在棒状和片状两种形态的Al4C3,为反应型界面结合。棒状和片状Al4C3均满足:长轴侧向与铝为光滑界面,遵循台阶生长模型;端部与铝为粗糙界面,遵循连续生长模型。其中,前者以随机角度自金刚石表面向铝基体中延伸,因而呈棒状;后者以(200)diamond∥(003)carbide,[011]diamond∥[110]carbide的位相关系平行于金刚石表面生长,因而呈片状。当界面由完全脱粘结合向完全粘附结合转化时,复合材料的弯曲强度由38MPa提高到220MPa,提高了479%。当金刚石的粒径由40μm增加到200μm时,复合材料的弯曲强度由287MPa降低到171MPa。当界面由完全脱粘结合向完全粘附结合转化时,复合材料的热导率由104W/(m·K)提高至603W/(m·K),提高了480%。当金刚石的粒径由40μm增加到200μm时,复合材料的热导率由468W/(m·K)提高至670W/(m·K)。当金刚石颗粒的热导率提高近200W/(m·K)时,复合材料热导率提高30W/(m·K)。对存在脱粘界面和反应型界面的热传输特性进行了分析,基于HasselmanJohnson模型,采用二次分级添加增强体的方法,可以较好地解决完全粘附界面结合金刚石/铝复合材料导热率的预测问题(误差0.33%)。热循环过程中,界面脱粘主要发生于金刚石(111)面/铝界面。小粒径增强体对应复合材料的组织和性能具有更好的热循环稳定性。200次-65~150℃热循环后,40、70、100和200μm金刚石颗粒对应复合材料的热导率分别降低6.5%、7.1%、9.4%和12.9%。综合考察金刚石/铝复合材料的力学性能、初始热导率和热循环过程中组织和导热性能的稳定性,热管理用金刚石/铝复合材料的首选增强体粒径为70~100μm。