高导热复合材料中界面对导热的作用机理

为了满足大功率电器热沉用高散热材料的要求，本研究以新一代高导热材料的代表铜-金刚石复合材料作为研究对象，重点探索高导热复合材料中界面对导热的作用机理。考察金刚石颗粒表面镀层或基体添加合金元素等预处理对材料界面润湿性和结合力的改善程度。研究不同成份参数（金刚石类型、粒度、粒度组成、体积分数等）和工艺参数（混料方式、预烧结温度、时间、熔浸气氛、压力、温度等）对复合材料界面结构和其对材料导热性能的影响。对复合材料的界面形成进行详细分析，包括界面的微观形貌、结合类型、界面区主要元素的分布及扩散程度、有无界面产物生成、生成物自身导热性能以及与各相的结合状况、界面热阻的大小等。在此基础上，结合相关的导热理论和模型，深入研究界面热阻产生的微观机制和其对整体材料导热性能的影响规律，建立适用于高导热复合材料的导热模型，丰富高导热复合材料中热传导的理论与实践，为研究开发高导热复合材料提供技术指导和理论依据。

概括了影响复合材料导热性能的几类界面特征，并提出适合描述具有不同界面类型复合材料导热性能的简易模型，利用这些模型并结合实验结果明确了不同类型界面对复合材料导热性能的影响规律。.应用于金刚石/铜复合材料。提出了超高压熔渗法制备高导热金刚石复合材料的方法，熔渗前，紧密接触的金刚石颗粒承受巨大压力，表面产生了非晶态的不定形碳，形成结合力较强的界面，极大的降低了界面热阻，近似达到完美界面状态。通过金刚石表面镀钛、镀铬，铜基体中添加微量的铬元素都能够改善的复合材料的界面结合。金刚石/铜复合材料的热导率达到了926 W/mK，为国内报道的较高值。.应用于金刚石/铝复合材料。界面镀层的厚度对材料热导率都有着较大的影响，当镀层极小时，界面热导则主要由镀层的密度、比热和声子速率等参数来决定。对于导电镀层，镀层密度和声子速率越高，则界面热导越高；对于非导电镀层，声子速率和密度则应有较为适中的数值。当增强体有效热导率相对较高时，界面孔隙的影响要远远超过基体孔隙；当增强体有效热导率降低至100~200W/mK范围附近时，二者影响接近；当增强体有效热导率进一步降低时，基体孔隙的影响将逐渐超过界面孔隙。提高两相结合程度，降低界面孔隙率，能够显著提高该类复合材料热导率。金刚石/铝复合材料的导率接近600 W/mK，为国内报道的较高值。.研究了碳纳米管（CNTs）/金属复合材料。采用金属有机化学气相沉积工艺在CNTs表面进行了W金属镀覆，并使复合材料获得了不同类型的界面。镀钨改善了CNTs与金属基体的润湿性，界面结合更好；W-CNTs、CNTs/Cu基、Al基复合材料的界面状态对热导率有密切的联系。理论模型结合热导率实验数据分析表明，界面结合越好，界面热阻则更小，复合材料的热导率相应越高。