通过双模颗粒策略和界面结构调控，实现Cu/金刚石复合材料具有低热膨胀率和优异的机械性能

《Materials Today Communications》：Low thermal expansion and high mechanical properties in Cu/diamond composite through bimodal particle strategy and interface structure regulation

研究通过双模粒子策略（116μm和701μm钻石）和硼含量调控界面碳化物结构，发现0.5wt%硼含量时Cu/diamond复合材料拉伸强度达112MPa，抗弯强度265MPa，界面结合能0.75J/m2，热膨胀系数最低3.03×10^-6 K^-1，且经100次热循环后机械性能保持稳定，为电子封装材料优化提供新思路。

　　在当今高功率密度电子设备日益发展的背景下，电子封装材料面临着越来越严苛的性能要求。这类材料不仅需要具备优异的导热能力，还必须在机械性能和热膨胀系数（CTE）之间取得平衡，以确保设备在长期运行中的稳定性和可靠性。传统半导体材料如硅的CTE为2.59 × 10?? K?1，而大多数已报道的铜/金刚石（Cu/diamond）复合材料的CTE普遍高于4.5 × 10?? K?1。这种显著的CTE差异使得铜基复合材料在热管理方面的应用受到限制，因此，降低其热膨胀系数成为当前研究的重要方向。

金刚石因其极高的热导率（约1 × 10?? K?1）和良好的热稳定性，被视为提升电子封装材料性能的理想增强相。然而，金刚石颗粒在铜基体中的分散和界面结合问题，一直是制约其性能优化的关键因素。铜与金刚石之间的天然润湿性较差，导致未经改性的Cu/diamond复合材料表现出较差的机械性能和较高的CTE。例如，未经修饰的Cu/diamond复合材料的拉伸强度仅为15 MPa，CTE高达14.81 × 10?? K?1，远高于理想值。因此，如何通过有效的手段改善铜基体与金刚石颗粒之间的界面结合，成为提升复合材料综合性能的核心课题。

针对这一问题，研究者们尝试通过多种方法来优化Cu/diamond复合材料的界面结构。其中，合金化和表面金属化是两种常见的策略。例如，引入硼（B）、钛（Ti）、铬（Cr）、钨（W）和锆（Zr）等形成碳化物的元素，可以在铜基体与金刚石之间形成稳定的界面层，从而增强两者的结合力。已有研究表明，随着Cr含量从0.3 wt%增加到0.7 wt%，Cu-Cr/diamond复合材料的拉伸强度从89 MPa显著提升至252 MPa。这表明，通过改善界面结构，可以有效提升复合材料的机械性能。同样，Ti含量的增加也能够降低Cu-Ti/diamond复合材料的CTE，这进一步说明了界面结构对材料热膨胀行为的重要影响。

然而，当前研究主要集中在单分散颗粒体系下的界面优化，对于双模态（bimodal）金刚石颗粒增强的复合材料，尤其是其界面结构如何影响热膨胀和机械性能的研究仍较为有限。双模态颗粒策略，即通过混合不同尺寸的金刚石颗粒，不仅能够提高材料的金刚石体积分数，还可能通过颗粒间的协同作用改善其综合性能。研究表明，单分散金刚石颗粒的最大随机堆积密度约为0.63-0.64，这限制了其在提高体积分数方面的潜力。而双模态颗粒策略可以突破这一瓶颈，实现更高的金刚石含量，从而进一步降低CTE。

本研究通过调整铜基体中的硼含量（从0.2 wt%增加到1.0 wt%），系统地探讨了其对Cu-B/diamond复合材料界面结构、机械性能和热膨胀行为的影响。研究发现，随着硼含量的增加，界面处的碳化物数量显著增加，界面结构由离散的碳化物颗粒逐渐转变为连续的碳化物层。这一变化对复合材料的性能产生了重要影响。具体而言，当硼含量为0.5 wt%时，Cu-0.5 wt%B/diamond复合材料表现出最佳的机械性能和最低的CTE值。其拉伸强度达到112 MPa，弯曲强度达到265 MPa，分别对应最高的界面结合能0.75 J/m2。这一结果表明，适量的硼元素添加可以有效改善铜基体与金刚石颗粒之间的界面结合，从而提升复合材料的机械性能并降低其热膨胀。

CTE的变化趋势同样值得关注。研究发现，随着硼含量的增加，Cu-B/diamond复合材料的CTE呈现先降低后升高的变化。这种非线性变化主要归因于界面碳化物的演变。当硼含量较低时，碳化物的形成可能对整体CTE产生抑制作用，而随着硼含量的进一步增加，碳化物层的厚度和连续性可能影响热传导路径，从而导致CTE的回升。这一现象提示我们，在优化Cu/diamond复合材料性能时，需要在界面结构和CTE之间找到最佳平衡点。

此外，研究还评估了复合材料在热循环（thermal cycling）条件下的性能稳定性。经过100次热循环后，Cu-0.5 wt%B/diamond复合材料的机械性能仅略有下降，而其CTE保持不变，显示出良好的热循环稳定性。这一结果对于电子封装材料的实际应用具有重要意义，因为电子设备往往需要在极端温度变化下长期运行，而热循环稳定性则是衡量材料可靠性的关键指标之一。

从材料设计的角度来看，本研究提出的双模态颗粒策略和界面结构调控方法，为Cu/diamond复合材料的性能优化提供了新的思路。通过合理选择颗粒尺寸和合金元素含量，可以在不牺牲导热性能的前提下，显著改善材料的机械性能和热膨胀行为。这不仅有助于提高电子封装材料的综合性能，也为未来高功率电子设备的热管理提供了可靠的材料基础。

在实际应用中，Cu/diamond复合材料的热导率优势使其成为电子散热领域的重要候选材料。然而，其较高的CTE和较差的机械性能限制了其在更广泛场景中的应用。因此，通过界面结构调控，可以实现对CTE和机械性能的协同优化，从而提升材料的整体性能。本研究通过实验和理论分析，揭示了硼元素在界面结构调控中的关键作用，并验证了双模态颗粒策略在提高材料综合性能方面的有效性。

材料的热膨胀行为不仅影响其自身结构的稳定性，还可能对电子器件的封装结构造成破坏。例如，在热循环过程中，由于热膨胀系数的不匹配，材料内部可能产生较大的热应力，导致裂纹或界面分离。因此，研究复合材料在热循环下的行为，对于评估其在实际应用中的可靠性至关重要。本研究中，Cu-0.5 wt%B/diamond复合材料在经历100次热循环后，其机械性能仍然保持较高水平，而CTE未发生明显变化，这表明其在高温环境下具有良好的结构稳定性。

另一方面，机械性能的提升对于电子封装材料在复杂工况下的应用同样不可或缺。在电子设备的制造和运行过程中，机械应力是不可避免的。如果材料的机械性能较差，可能会在受到外力或内部应力时发生断裂或变形，进而影响设备的正常运行。因此，提高Cu/diamond复合材料的机械强度，不仅有助于增强其结构稳定性，还能够延长电子设备的使用寿命。本研究中，通过引入适量的硼元素，成功实现了对界面结构的调控，从而在不牺牲导热性能的前提下，显著提升了复合材料的机械性能。

此外，本研究还强调了结构-性能关系的重要性。材料的微观结构，尤其是界面结构，对其宏观性能具有直接和深远的影响。通过调控界面碳化物的形成和分布，可以有效改善复合材料的热膨胀行为和机械性能。这一发现为未来Cu/diamond复合材料的设计和优化提供了理论依据和实验支持。例如，通过调整合金元素的种类和含量，或者改变颗粒的尺寸分布，可以进一步探索不同界面结构对材料性能的影响，从而开发出更加高效的电子封装材料。

在实际工程应用中，电子封装材料需要满足多种性能要求，包括高导热性、低热膨胀系数和良好的机械强度。因此，材料设计必须综合考虑这些因素，并寻求最优的平衡方案。本研究通过引入双模态颗粒策略和界面结构调控方法，成功实现了对Cu/diamond复合材料性能的优化。这一成果不仅为电子封装材料的发展提供了新的方向，也为其他复合材料的性能提升提供了借鉴。

最后，本研究的结论表明，通过合理的材料设计和工艺调控，Cu/diamond复合材料的综合性能可以得到显著提升。这为电子设备的热管理提供了更加可靠和高效的解决方案，同时也为材料科学领域的进一步研究奠定了基础。未来的研究可以进一步探索不同合金元素和颗粒尺寸组合对材料性能的影响，以及如何在不同应用场景下优化材料的结构设计，以满足更广泛的需求。