热管理用金刚石/铜复合材料的界面构建、调控及导热机制研究

In this project, the diamond/copper composites for thermal-management materials is selected and researched. In order to improving wetting properties and interfacial thermal resistance among interfaces, the transition layer is constructed by salt-bath plating and doping element, respectively. The control mechanism of fabrication technology and properties is also illuminated. How to improve interfacial compatibility, how to control the microstructure and composition of interfacial layer, and how to illuminate the conductivity mechanism of thermal flow in diamond/copper composites become the key scientific issues. The effect of specific characteristics of interfical layers on its thermal resistence, the relationship among composition, technics, mcrostructure and thermal porperties of diamond/copper composites are the main research contents. In addition, the fabricating rutes and methods will be adjusted and improved according to the related experimental and theoretical simulative results, thus the high-performance diamond/copper composites can be obtained. The implement of this project can offer important theoretical and key technical support for design, fabrication(specially as near-net-shape and pressureless infiltration technics) and application of daimond/copper composites.

本项目以新型热管理用金刚石/铜复合材料为研究对象，采用盐浴镀覆或掺杂微溶元素的方法，构建能同时改善两相相容性和降低界面热阻的过渡层界面，揭示其制备与性能调控的相关机理及界面传热等基础性规律。实现界面相容性、调控界面结构及成分、揭示界面导热机理是项目需要解决的主要关键问题。通过金刚石表面金属化和掺杂微溶元素，调节金刚石/铜复合材料界面组成、结构等界面特性，重点研究界面特性对界面热阻、材料导热性能影响的基本规律，建立成分和工艺-界面结构-材料导热性能之间的关联，并根据数值分析结果对实际工艺参数进行调整和优化，实现"结构-功能"协同优化的高性能金刚石/铜复合材料制备。该项目在界面调控基础理论、界面调控应用、界面导热及其机理研究方面具有创新性,其实施可为金刚石/铜复合材料的设计、制备（特别是近净成形+无压熔渗法等新方法）和应用提供重要理论依据和关键技术支持。

Diamond/Metal因其优异导热性和可设计的热膨胀系数，成为新一代热管理材料并引起广泛关注。但其机加工难题阻碍了其向实际应用的转化。本项目采用盐浴镀构建复合材料界面，通过镀覆及烧结等工艺参数调控复合材料界面，重点研究了镀覆温度、粒径、界面等对复合材料的组织及性能等的影响。主要研究结论如下：.金刚石盐浴镀W适宜工艺为：1150℃下保温10-120min镀层厚度可在1.18-3.24μm之间调控。界面结构为Cu0.4W0.6-W2C-WC-Diamond；镀Cr为：750-850℃下保温30-120min镀层厚度可在0.6-3μm之间调控，界面结构为Cr-Cr7C3-Cr2C-CrxCy-Diamond；镀Ti为：800-900℃下保温60-120min镀层厚度可在0.69-2.18μm之间调控，界面结构为Ti-TiC-Diamond。.通过对W、Cr、Ti三种不同界面复合材料对比分析表明：影响复合材料的热导率关键因素为界面相本征热导率及界面结合强度。W界面以WC-CuW伪合金钉扎咬合连接，其界面结合最牢固且界面相WC本征热导率最高，其复合材料热导率高达660 W/(m.K)； Cr界面以Cr3C2-CuCr合金连接，其界面结合强度及界面相Cr3C2本征热导率次之，热导率在480W/(m.K)左右；Ti界面以TiC-CuTi合金连接，其界面结合强度及界面相TiC本征热导率最差，热导率不足300W/(m.K)。.当W厚度约3μm，1300℃保温60min，其热导率高达660 W/(m.K)，致密度达97.9%，断裂方式主要为沿晶断裂；当Cr厚度约0.51μm，1300℃保温60min。随着Cr厚度的增加，复合材料断裂方式从部分塑性断裂转为完全脆性断裂，致密度从96.8%显著下降至88.1%，热导率从486 W/(m.K)降至346 W/(m.K)；镀Ti厚度约2μm，1350℃保温60min，其热导率较低约268 W/(m.K)，其相对致密度为86.8%。.通过建立理论模型探讨金刚石/铜复合材料的热导率与界面微观结构之间的关系，利用Ansys有限元模拟软件，研究了界面等对金刚石/铜复合材料传热过程中温度分布、热流密度及热导率的影响规律。. 该项目成果可为金刚石/铜复合材料的设计、制备（特别是近净成形+无压熔渗法等新方法）和应用提供一定理论依据和关键技术参