金刚石/Cu复合材料—碳纳米管阵列传热体系的固-固界面键合和传热研究

In this project, focousing on the requirement of the space in-orbit module assembly technology on high efficiency heat transfer of module interface, a solid-solid heat transfer system with a special interface structure consisting of high thermal conductivity diamond /Cu composites and low interfacial thermal resistance aligned carbon nanotube arrays(VACNT) is studied. The spark plasma sintering(SPS) process was applied to connect VACNT whose surface was sprayed with Ni nanoclusters and diamond/Cu composites by forming bonding at the interface in order to reduce the interface thermal resistance. The following key technologies and scientific issues will be researched, the interface bonding mechanism between VACNT and composite, the effect rules and mechanism of bonding on interface bonding strength and interface thermal resistance, the heat transfer mechanism when VACNT is in contact with copper and simultaneously with diamond, as well as the damage mechanism of the bonding interface, free contact interface and VACNT under the condition of multiple contact separation, cyclic loading and heating. This study will lay a theoretical and technical basis for the establishment of a high efficiency solid -solid heat transfer system with high heat transfer capacity, low interface contact heat resistance and repeatable contact separation function. The research not only enriches the theory and practice of the interfacial heat transfer, but also provides ideas and references for the heat transfer design of the on-orbit assembly interface and the interfacial heat transfer design of the microelectronic packaging system.

本项目围绕航天在轨模块组装技术对模块接口高效传热的需求，以高导热率金刚石/Cu复合材料与低界面热阻碳纳米管阵列（VACNT）组成的具有特殊界面结构的固-固传热体系为研究对象，采用SPS工艺将表面溅射Ni纳米团簇的VACNT与金刚石/Cu复合材料表面键合连接以减少界面接触热阻，重点研究VACNT与复合材料表面的键合机制、键合对界面结合力和界面热阻的影响规律及机理、VACNT与铜和金刚石同时接触的传热机制、以及多次接触分离和循环加载和加温模拟工况条件下键合界面、自由接触界面和VACNT的损伤机制及对系统热阻的影响等关键技术和科学问题，为建立具有高传热能力、低界面接触热阻及具备可重复接触分离功能的高效固-固传热体系奠定理论和技术基础。该研究不仅能丰富现有界面传热的理论和实践，同时可以为在轨组装接口传热设计以及微电子封装系统的界面传热设计提供思路和借鉴。

随着人类太空探索步伐的不断深入，对航天器或空间系统的功能要求越来越高，相应航天器的体积和重量不断增加，依靠现有的发射技术很难一次将大型航天器发射到太空。模块化在轨组装是国内外公认的解决这一问题的最佳途径。功能模块中很大一部分为工作时产生大量热量的大功率电器模块，热量能否有效地散发出去关系到功能模块是否能够稳定工作。但是由于结构限制，模块不带有自身冷却功能。模块设计时，散热问题的解决思路是模块本身产生的热量通过主空间站搭载的冷却系统进行冷却。因此保证标准模块与主模块之间通畅的传热路径尤为关键。模块化航天器标准模块的典型接口设计依靠功能模块上与主模块上两对接圆盘（导热盘）之间的互相接触进行热量的传输。因此，两导热盘接触后的传热成为整个热传递路径的关键。但是目前国内外有关接口导热盘的设计研究无公开报道。本项目围绕航天在轨模块组装技术对模块接口高效传热的需求，以高导热率金刚石/Cu复合材料与低界面热阻碳纳米管阵列（VACNT）组成的具有特殊界面结构的固-固传热体系为研究对象，采用SPS工艺将表面溅射Ni纳米团簇的VACNT与金刚石/Cu复合材料表面键合连接以减少界面接触热阻，基于分子动力学模拟结合SPS放电等离子烧结对键合界面Ni元素的扩散行为及传热机制进行了系统研究，制备了综合性能良好的金刚石/铜-碳纳米管阵列传热系统，其能够在服役温度和压力均较高的情况下保持不弱于莱德尔商用Tflex700性能的同时还不失效，最低界面热阻为80.59 mm2·K/W，可满足多次接触分离，重复使用的需求。在此基础上，针对碳纳米管阵列难以大面积可控制备的问题，为了满足航天在轨组装对于模块散热的技术需求，采用浆料法和粉末冶金法相结合的技术，制备出了取向碳纳米管铜基复合材料导热盘，在接触压力为2.26MPa时的界面热阻仅为25.4 mm2·K/W，能够满足在轨组装对模块接口的散热需求，填补了界面传热领域在“可重复使用”或“可重复接触分离”的技术空白。本研究不仅丰富了现有界面传热的技术和理论，更为重要的是可以为在轨组装接口传热设计以及微电子封装系统的界面传热设计提供解决思路和借鉴。