多级界面层设计同步提升金刚石增强铜基复合材料的热传导能力、热膨胀匹配性与热稳定性

本文创新性地提出基于元素互扩散理论的多级界面层设计策略，通过磁控溅射结合气压浸渗技术，在金刚石/铜（diamond/Cu）复合材料中构建WC-(Zr,W)C梯度界面层。研究实现了热导率（TC）743 W?m?1?K?1、热膨胀系数（CTE）4.5×10?6 K?1的协同优化，经100次热循环后热扩散系数仅下降20.7%，为电子封装材料的热管理性能提升提供了新思路。

　　

Highlight

本研究通过创新的多级界面层设计，成功实现金刚石/铜复合材料三大性能的同步提升：热传导能力、热膨胀匹配性和长期热稳定性。

Thermophysical performance

如图3(a)所示，随着溅射时间增加，复合材料热导率（TC）呈现先升后降趋势。当溅射时间调至45分钟时，样品获得743 W?m^?1?K^?1的优异TC值，是未涂层样品的1.3倍。界面热导（ITC）计算表明，优化的界面层厚度能显著降低声子散射。

Discussion

金刚石/铜复合材料中，界面层的物理特性及其与两相的键合强度对性能具有决定性影响：

1）高TC组分构成的界面层可优化声子传输效率

2）Zr元素在铜基体中的极低固溶度（<0.01 wt%）有效维持基体本征特性

3）热循环后三维断层扫描显示，均匀分布的金刚石颗粒和孤立孔隙结构是保持高热扩散系数（244.9 mm²?s^?1）的关键

Conclusion

1. 设计的多级界面层使复合材料获得743 W?m^?1?K^?1的高TC和4.5×10^?6 K^?1的低CTE

2. WC-(Zr,W)C界面层通过增强界面结合强度与声子匹配度，使热循环后性能衰减率控制在20.7%

3. 该工作为热管理复合材料界面设计提供了全新范式