金剛石粒徑對金剛石鋁復合材料導熱性能的影響

1、金剛石粒徑對金剛石/鋁復合材料導熱性能的影響東方賤人 華東理工大學摘要：金剛石/鋁復合材料屬于金屬基復合材料，迎合了當前材料復合化的主流研究方向，其綜合了金剛石和鋁二者優(yōu)良的物理性能，也彌補了金剛石成本高加工困難的缺點，不僅滿足現(xiàn)代電子封裝材料的理想化要求，而且具有大規(guī)模生產(chǎn)的可能，迅速成為國內(nèi)外各研究機構的研究重點，各國學者都立志于優(yōu)化工藝參數(shù)來制備出更高質(zhì)量、更高熱導率的金剛石/鋁復合材料。本課題主要研究金剛石粒徑尺寸對金剛石/鋁復合材料導熱性能的影響，以便于選擇最佳規(guī)格參數(shù)的實驗原料，參考前人理論模型以及本次實驗數(shù)據(jù)，探究在相同工藝條件下，金剛石粒徑尺寸對Diamond/Al復合材料熱導

2、率及熱膨脹系數(shù)的影響，研究結果表明：（1） 相同的工藝條件前提下，金剛石粒徑存在一個臨界值，當粒徑小于該臨界值時，材料熱導率隨粒徑尺寸增大而增大；當粒徑大于該臨界值時，材料的熱導率隨粒徑尺寸增大而減??；（2） 金剛石粒徑越小，復合材料熱膨脹系數(shù)越小。關鍵詞：金剛石 金剛石/鋁復合材料 界面 致密度 熱導率 熱膨脹系數(shù)第一章 緒論1.1引言隨著現(xiàn)代電子技術的飛速進步，電子工業(yè)的發(fā)展呈蓬勃之勢，各種電子產(chǎn)品充溢于我們的日常生活之中，如智能手機、平板電腦以及液晶電視等，極大地改變了人們的生活方式和生產(chǎn)方式，電子產(chǎn)業(yè)已成為我國建設工業(yè)化道路的先驅(qū)產(chǎn)業(yè)。電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展離不開安全穩(wěn)定的電子封裝技術作為保障

3、，進入90年代中期以后，西方的一些發(fā)達國家一開始把目光從電子產(chǎn)品的研發(fā)投向了電子產(chǎn)品的封裝技術，以期提高電子整機性能1，在全世界范圍內(nèi)，后摩爾時代的到來，掀起了一場電子封裝技術研發(fā)的狂潮。然而近幾年隨著電子元器件向著更高的集成度，更快的運行速度方向發(fā)展，微小化、輕便化、多功能化成為主流，然而更快的運行速度更小的芯片規(guī)格也代表著芯片高速運行時產(chǎn)生的熱量越來越大，因為材料本身導熱性能的限制，往往不能做到迅速散熱，芯片常常會因為溫度過高而無法正常工作，嚴重影響了其使用壽命和性能，散熱問題已成為制約電子信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要難題之一2，電子封裝領域迫切需要一種高導熱材料來破解這一難題，高導熱新型電子封裝材

4、料的研究迫在眉睫。1.2電子封裝材料電子封裝指的就是按照規(guī)定的要求，把構成電子器件或集成電路的各個單元合理的組裝安置鍵合，并對集成電路內(nèi)置芯片起到固定密封，支撐保護的作用。電子封裝可以分為幾個封裝級別，如圖1.1所示，第一級封裝包括集成電路（IC）芯片互連及封裝，芯片本身包含許多集成微電路如晶體管、電阻器及電容器，因此芯片又被稱為零級封裝；第二級包括微電子器件和印刷電路板（PCB）的連接，利用聚合物涂層可分為PCB上微電子器件提供額外的保護；第三級是將主板與PCB相連，第四級和最終級封裝是指電子系統(tǒng)如計算機或手機中的主板（或PCB）的封裝3。圖1.1電子封裝級別1.2.1電子封裝材料的分類常用

5、的電子封裝材料主要有陶瓷封裝材料、塑料封裝材料、金屬封裝材料和金屬基復合材料四類，其中前三類屬于傳統(tǒng)封裝材料，后一類則是目前廣泛使用的新型電子封裝材料4，表1列出了幾種常用封裝材料的物理和熱力學性能參數(shù)。表1.1.常用封裝金屬材料的基本特性材料熱膨脹系數(shù)/10-6K-1導熱系數(shù)/W/(m·k)密度/g·cm-3Al232212.7Cu174008.9Mo5.014010.2W4.517419.3Invar0.4118.04Kovar5.9178.3GaAs5.8393.9Al2O36.57.420303.9BeO6.382502.9SiC3.72703.2AIN3.94.5

6、602803.3陶瓷類是電子封裝中比較常用的一種，化學性能穩(wěn)定，絕緣性強，具有優(yōu)異的高頻特性和與芯片匹配的熱膨脹系數(shù)，其中Al2O3陶瓷和AIN陶瓷使用較為廣泛5。目前市場上使用最多的陶瓷類封裝材料是Al2O3，具有陶瓷類的一貫優(yōu)點，制備和加工工藝技術也比較成熟，適合大規(guī)模生產(chǎn)，但Al2O3陶瓷熱導率很低，達不到某些領域?qū)Σ牧蠠釋缘囊?，這限制了它在大規(guī)模集成電路方面的發(fā)展；AIN陶瓷是一種新型的人工合成陶瓷封裝材料，綜合性能優(yōu)良，一度被認為是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ碾娮臃庋b材料，但由于其必須通過復雜的人工合成工藝制備，生產(chǎn)所需成本太高，不能進行大規(guī)模的市場運用，限制了其發(fā)展。塑料類封裝材料是電子

7、封裝領域應用最廣，用量最大、發(fā)展最快的一類電子封裝材料，因其原料來源廣、質(zhì)量輕、絕緣性好、生產(chǎn)成本低，加工工藝簡單等諸多優(yōu)點，占據(jù)了90%的封裝市場份額。目前國內(nèi)使用最多的是環(huán)氧類塑料，但是由于其存在易開裂、耐濕性差、固化物收縮等不足，使其不能滿足某些領域應用的需要。金屬封裝材料熱導率和機械強度高，加工性能好，廣泛應用于航空航天、軍事設施等混合電路，Al、Cu等金屬已開始成功運用到電子封裝產(chǎn)品，但是因為Al和Cu線膨脹系數(shù)與半導體硅芯片相差較大，芯片工作易受損傷，而W、Cr等成本略高，不適合規(guī)模生產(chǎn)，使得金屬封裝材料發(fā)展緩慢6。陶瓷、塑料、金屬這三類封裝材料都屬于傳統(tǒng)的電子封裝材料，由于目前市

8、場的發(fā)展以及不斷提出更高性能的要求，傳統(tǒng)的封裝材料已經(jīng)不能滿足需要，金屬基復合材料作為一種新型的封裝材料，憑借其優(yōu)異的綜合性能，開始登上市場的舞臺，在各個領域都得到了廣泛的關注。1.2.2理想電子封裝材料的性能要求市場的需求對理想電子封裝材料提出了以下幾個要求7：一是材料的膨脹系數(shù)要與芯片相匹配，以避免工作時因為熱循環(huán)產(chǎn)生較大的熱應力損傷使芯片失效；二是材料的導熱性能良好，能迅速地將大功率芯片高速運行時所產(chǎn)生的熱量散發(fā)出去；三是材料的氣密性良好，能盡可能減少芯片在有害環(huán)境下工作受到的不利影響；四是材料的強度和剛度要滿足一定的標準，避免芯片受壓破損；五是材料的成本要盡可能低，以滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要

9、求。1.3金剛石/鋁復合材料目前備受國內(nèi)外諸多研究機構關注的金剛石，不僅具有良好的物理性能，而且其熱導率能高達13002200W/(m·k)，熱膨脹系數(shù)僅為0.8×10-6K，自從上世紀60年代起，就作為散熱材料作用于半導體材料封裝基片，但是由于金剛石加工困難且成本較高，一直無法大規(guī)模應用。近年來，隨著人工合成金剛石技術的研究愈發(fā)成熟，其生產(chǎn)成本逐年下降，基本可實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)來滿足市場需求，但金剛石質(zhì)堅難以加工，現(xiàn)代封裝領域的常用方法是將其作為增強體加入金屬基材中制成金剛石/金屬基復合材料，這樣不僅能顯著提高基材的硬度、耐磨性、熱導率，還能降低基材的熱膨脹系數(shù)。材料的熱導率

10、仍然是選擇金屬基體的第一要素，銀和銅的熱導率都較鋁高，但是基于成本和密度的考慮，在電子封裝領域應用較鋁并不廣泛，鋁作為金屬散熱材料，具有高熱導率，其熱導率為230W/(m·k)，高比強度，低的密度及成本等優(yōu)點，具有很大的開發(fā)應用潛力。因此綜合二者優(yōu)良性能，具有高熱導率、低熱膨脹系數(shù)和低密度等優(yōu)點的金剛石/鋁復合材料，成為新一代電子封裝材料的理想選擇，WEBER等8采用氣壓浸滲法制備出的金剛石/鋁復合材料，最大值能達到760W/(m·k)，為目前所測得的最高熱導率。1.4金剛石/鋁復合材料的制備方法目前廣泛運用的制備金剛石/金屬基復合材料的方法主要有兩大類固態(tài)成形法和液態(tài)成形

11、法9，其中較為成熟的制備工藝技術包括粉末冶金法、放電等離子燒結法、液相浸滲法等。本次研究使用浸滲法工藝制備，包括氣壓、擠壓和無壓浸滲三種，主要差異在于液態(tài)金屬滲入增強體預制件時工藝參數(shù)不同。1.4.1氣壓浸滲氣壓浸滲是熔融的液態(tài)金屬在氣體壓力作用下被壓滲至預制件模具中，圖1.2為氣壓浸滲法設備示意圖，此法是在一種比較常見的制備電子封裝材料的方法，一般用來制備鋅、銅、鎂、鋁基復合材料。氣壓浸滲的工藝流程是先制作增強體預制件模型，將增強體置于石墨模型中，高速震蕩壓實使其充滿石墨模型；將制作好的預制件模型再放置到到坩堝中，通過高溫加熱氣化其中一些可揮發(fā)性雜志，然后抽出爐腔中的氣體使其真空化；調(diào)節(jié)設備

12、溫度使基體金屬熔化至熔融液態(tài)，通入惰性氣體使熔融液態(tài)金屬充分浸滲到預制件間隙后凝固；待鑄件冷卻后取出進行加工檢驗10。氣體浸滲法最大的問題是氣壓問題，熔融液態(tài)金屬基體浸滲增強體預制件時，如果氣壓過小則制備的材料孔隙率過高，要想獲得合格的產(chǎn)品就必須要在高氣壓下進行，但是這樣又會增加模型的壓力，而且還有可能壓碎預制件，造成制備的復合材料組織不均勻。圖1.2.氣壓浸滲裝置示意圖1.4.2擠壓浸滲擠壓浸滲技術與擠壓鑄造類似，是利用高壓將熔融金屬液壓增強體預制件中，使其充分浸入模具，凝固后獲得成品，其工藝流程主要分為兩個步驟：預制件制備以及熔液浸滲過程10。該工藝方法操作簡單可靠，生產(chǎn)效率高，制造成本低

13、，所制備出的成品組織致密，適合于大工廠批量生產(chǎn)。由于壓機的擠壓作用，極大地促進了熔融金屬與增強體之間的潤濕，不需要對增強體材料再進行表面預處理改善界面，但是由于擠壓作用的壓力較大，要求預制件剛度硬度足夠高，能承受高壓而不變形，所以這種方法只適合于制備具有一定強度、剛度的顆粒、晶須等增強體復合材料。1.4.3無壓浸滲無壓浸滲是將在無壓條件下將熔融液態(tài)金屬浸滲到預制件中，然后冷卻凝固得到成品的一種工藝，一般用于Al基復合材料的制備。無壓滲透的工藝流程也是預先把增強體制成預制件，然后把基體金屬放在加熱爐中使其熔化成熔融液態(tài)，在無壓狀態(tài)下熔融態(tài)金屬會自發(fā)浸滲到預制件中，凝固獲得成品10，圖1.3為無壓

14、浸滲法的工藝圖。無壓滲透法的優(yōu)點是工藝設備簡單易于操作，成本相對較低，而且復合材料中增強體材料的體積分數(shù)可控，但因為是在不加壓力的工藝條件下進行，金屬液并不能完全的浸滲到預制件中，制備的材料致密度低，而且用無壓浸滲法制備的材料也存在增強體和金屬液之間潤濕性差的問題，需要預先進行表面處理防止高溫作用下增強體與基體界面之間發(fā)生化學反應影響成品。圖1.3無壓浸滲法制備工藝圖 不同滲透法制備出來的復合材料性能相差甚遠，圖1.4中對比了氣壓浸滲、擠壓浸滲和無壓浸滲三種工藝的優(yōu)缺點。表1.2.幾種常見復合材料制備工藝的工藝特點制備方法工藝特點工藝缺陷氣壓浸滲合成時間長對金剛石的潤濕性好生產(chǎn)步驟少增強體體積

15、分數(shù)高生產(chǎn)過程慢施加壓力較小設備氣密性要求嚴格擠壓浸滲液態(tài)金屬流動成形材料質(zhì)量穩(wěn)定、安全性高高壓凝固和塑形變形導致縮孔組織致密疏松少增強體體積分數(shù)高生產(chǎn)時間短，穩(wěn)定性好模具的封閉性要求高預制件工藝參數(shù)多預制件與模具匹配度高生產(chǎn)費用較高無壓浸滲設備及技術工藝方法簡單生產(chǎn)成本較低可制備形狀復雜的復合材料對模具要求低潤濕性要求高復合材料界面結合難控1.5金剛石/鋁復合材料導熱性能研究1.5.1復合材料熱導率的模型在復合材料中，各組成的成分與相對含量、各個相的形態(tài)及分布、各相之間的相互作用都會對熱導率造成很大的影響，例如不同的增強體顆粒品級、形狀、體積百分比等都會對整個復合材料熱導率的大小造成影響。根

16、據(jù)古今中外諸多學者研究，假設在金屬基體中增強體顆粒呈圓球形且均勻分布，并且組成相不固溶，推導出顆粒增強金屬基復合材料熱導率的模型11,12，其中應用較為廣泛的有：Bruggeman理論模型 （1-1）式中，V1為復合材料中增強體顆粒的體積百分比，1為增強體的熱導率，m為金屬基的熱導率，c為整個復合材料的熱導率Lewis和Nielsen半經(jīng)驗模型 （1-2）其中 , A和m是與顆粒形狀和在基體中分布有關的參數(shù)Maxwell模型 （1-3）幾何平均值模型 （1-4）1.5.2金剛石粒徑與復合材料導熱性的關系目前從理論上探究金剛石粒徑大小與金剛石/鋁復合材料熱導率的關系模型主要是由Hasselman

17、-Johnson提出的H-J理論模型：假設增強體顆粒為球形， （1-5）式中，c、m、d分別是復合材料、基體和增強體顆粒的熱導率，Vd為增強體顆粒的體積分數(shù)，為增強體顆粒的粒徑，h為界面導熱系數(shù)13,14。考慮到金剛石界面不規(guī)則性，各界面占比不同，以及鋁對金剛石界面的選擇粘附現(xiàn)象，F(xiàn)LAQUER等15和CHU等16在H-J模型的基礎上提出了界面導熱系數(shù)h的計算公式： ，上下 （1-6） ，下下 （1-7）式中，S001和S111分別為001面和111面占整個金剛石界面的百分比；h001和h111分別為金剛石001面和111面的界面本征熱導率，分別為1.0×108W/(m·k

18、)和1.0×107W/(m·k)。推導H-J模型和界面導熱系數(shù)h可已推導出金剛石粒徑與熱導率的關系，國內(nèi)的梁雪冰等17做過相關的實驗研究，采用放電等離子燒結的制備工藝，原料則選用平均粒度分別為40m、70m、100m三種粒徑的同一品級的金剛石顆粒，實驗數(shù)據(jù)充分證明了這一理論模型的準確性。1.5.3復合材料熱膨脹系數(shù)的模型根據(jù)理論模型可以預估復合材料熱膨脹系數(shù)的理論值，目前主要使用的理論模型有Turner模型、混合定律和Kerner模型三種4:Turner模型假設溫復合材料內(nèi)部僅受張應力和壓應力作用，且隨著溫度變化，復合材料各相膨脹程度相同， （1-8） 式中，c、m、r分別

19、為復合材料、基體和增強體的熱膨脹系數(shù)；Km、Kr分別為基體和增強體的體積模量；Vm和Vr則為基體和增強體的體積分數(shù)?；旌隙?（1-9）Kerner模型假設增強體為顆粒狀球形在基體上均勻分布，各相受剪切力和等靜壓力作用時 （1-10）式中，Gm為基體的剪切模量，表1.3列出了金剛石和鋁的一些參數(shù)，參照各項參數(shù)計算理論值。表1.3.金剛石和鋁的各項參數(shù)參數(shù)AlDiamond323K373K398K423K448K473K熱膨脹系數(shù)（×10-6K-1）21.822.122.222.423.523.92.3體積模量K（GPa）68.368.667.366.163.159.8580剪切模量G

20、(GPa)27.226.625.724.724.424.13601.5.3金剛石粒徑與復合材料熱膨脹系數(shù)的關系 目前從理論上探究金剛石顆粒粒徑與復合材料熱膨脹系數(shù)的關系也有一套相對成熟的理論模型，是根據(jù)Vaidya和Chawla提出的理論，并通過實驗研究證明得出來的18：假設顆粒呈規(guī)則球形且均勻分布與基體中，則 （1-11） （1-12） （1-13）式中：a為顆粒半徑；r為顆粒球心到基體外端距離；為軸向應力，v為泊松比，E為彈性模量，p為界面壓力，是體積分數(shù)，p和m指代顆粒和基體。那么，界面處的應力為 （1-14）從式中不難看出，在體積百分比相同的情況下，復合材料的熱膨脹系數(shù)主要與界面壓力和

21、顆粒半徑有關，而界面應力又受顆粒粒徑的影響，顆粒越小，界面處受到的應力越小，從而降低復合材料的熱膨脹系數(shù)，也就是說，復合材料的熱膨脹系數(shù)隨著增強體顆粒粒徑減小而減小19。1.6國內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于美國、日本、瑞士等發(fā)達國家早在上世界九十年代就開始了對金剛石/鋁復合材料的研究，投入了相當大的科研力度，所以一部分科研成果已日漸成熟并達到世界先進水平，部分成果已開始廣泛應用于各個領域。Johnson等最早采用無壓浸滲法制備50vol%的金剛石/鋁復合材料，為防備在制備過程中由于高溫發(fā)生的界面反應，首先對金剛石進行CVI法預處理，但是由于預處理過程引入了新的元素Si，成品的復合材料熱導率僅為225259

22、W/(m·k)20，熱膨脹系數(shù)為4.5×10-66.8×10-6K-1；Weber等在利用氣壓浸滲法制備不同體積分數(shù)的金剛石/鋁復合材料的實驗過程中，發(fā)現(xiàn)當金剛石粒徑為350m，體積比為63%時，成品熱導率高達760W/(m·k)，為目前制備的材料中所測得的最大值21；Plansee公司業(yè)已掌握了小規(guī)模生產(chǎn)高性能的金剛石/鋁復合材料的工藝技術，制備的復合材料熱導率可達350500W/(m·k)，密度為3.0g/cm3，目前已開始供應于航空航天領域的使用22。國內(nèi)關于這方面的研究起步較晚，而且關注點多在于如何運用金剛石的堅硬特性，用來制備某些工具

23、或模具，在利用金剛石高導熱特性制備高導熱封裝材料方面的技術和生產(chǎn)工藝尚不成熟，目前國內(nèi)關于這一方面的研究主要集中在幾個研究機構，包括北京有色金屬研究總院、北京航空材料研究院、北京科技大學和西北工業(yè)大學等。北京航空材料研究所的劉永正等人選用普通研磨級、MBD4級和SMD級三種不同品級的單晶金剛石顆粒為原料，采用無壓浸滲法制備55vol%金剛石/鋁復合材料，測得其中采用SMD品級的金剛石制備出的成品熱導率最高，為559W/(m·k)，線膨脹系數(shù)為4.37×10-6K-1，探究了金剛石品級與復合材料熱導率的關系13；劉永正還探究了不同實驗因素對復合材料熱導率的影響并得出相關了結論

24、23；北京科技大學的沈曉宇等采用放電等離子燒結法制備金剛石/鋁復合材料，在燒結前對金剛石表面進行真空微蒸發(fā)鍍鈦處理以增大金剛石與鋁基之間的潤濕性，實驗通過采用不同的SPS工藝參數(shù)、原料選用不同粒度配比的鋁粉和金剛石，制備出不同金剛石體積分數(shù)的復合材料成品，依照實驗所得數(shù)據(jù)探究這些因素對復合材料致密度和熱導率的影響并得出相關結論，最終制備的成品熱導率最高可達486.3W/(m·k)24。1.7本課題研究內(nèi)容及意義金剛石/鋁復合材料作為新一代輕質(zhì)高導熱功能材料之一，絕大多數(shù)研究學者對其研究都基于如何提高其熱導率。金剛石/鋁復合材料的熱傳導機理從微觀分析，是由電子和聲子同時作用來進行的，鋁

25、基體中存在大量的自由電子，這些自由電子無規(guī)則運動相互碰撞產(chǎn)生熱能；增強體金剛石則主要靠聲子來傳熱，聲子在某一高溫狀態(tài)的質(zhì)點發(fā)生強烈振動，振幅較大，帶動臨近質(zhì)點振動，熱運動能量增加25。在金剛石/鋁復合材料的制備工藝中，不同的工藝參數(shù)，不同的實驗原料、致密度、界面等種種因素，都會影響最終成品的熱導率，其中金剛石與鋁兩相之間由于固固結合產(chǎn)生界面熱阻以及材料的致密度是影響復合材料熱導率的關鍵，而其他因素也都是通過影響這兩方面來影響熱導率的。本課題主要研究在統(tǒng)一的工藝條件下，金剛石粒徑大小對復合材料導熱性能的影響并探究其影響機理，以便于在制備高導熱金剛石/鋁復合材料時可以選擇最佳的增強體粒徑。根據(jù)H-

26、J模型以及實驗得出的相關結論，得出了如下結論：在體積比相同的情況下下，顆粒的粒徑與復合材料熱導率之間存在一個拋物線的線性相關關系：存在一個臨界值0，當顆粒的平均粒徑大于0時，隨著粒徑的增大，相鄰顆粒之間的間隙增大，鋁基體不能完全填充到這些空隙，造成復合材料的致密度降低，復合材料的熱導率減??；當顆粒的平均粒徑小于0時，隨著粒徑的減小，鋁和金剛石之間界面數(shù)量增多，產(chǎn)生的界面熱阻增大，復合材料的熱導率隨之減小。第二章實驗設計及研究方法2.1實驗原料及設備實驗原料選用高純鋁粉（99.9wt%），呈球形，粒度<70m，增強體選用MBD4品級金剛石,顆粒形態(tài)良好，表面呈規(guī)則四八面體，密度為3.76g

27、/3,粒徑分別為40m、70m、100m。如圖2.1所示。鍍粉為粒度200目的鈦粉。實驗過程所用設備見表2.1。 a.高純鋁粉 b.金剛石圖2.1原料粉末的SEM圖片表2.1實驗設備與儀器名稱廠家型號氣壓浸滲爐宜興市盛義浸滲化工設備有限公司SY1000箱式電阻爐合肥科晶材料技術有限公司KSL-1200X-J分析天平德國賽多利斯集團QUINTIX1102-1CN掃描電子顯微鏡日本電子光學公司JSM-5600LV透射電子顯微鏡日本電子株式會社JEOLJEM-2001FX射線衍射分析儀日本理學株式會社D/MAX2500PC閃光導熱儀德國耐馳儀器制造有限公司LFA447熱膨脹系數(shù)分析儀德國耐馳儀器制造

28、有限公司DIL402C2.2實驗設計2.2.1界面處理由金剛石/鋁復合材料的傳熱機理可知，聲子會在第二相與基體界面間發(fā)生散射，對熱傳導起到阻礙作用，稱之為界面熱阻，能降低復合材料的熱導率，因此金剛石晶體結構直接影響復合材料的熱力學性能。非金屬金剛石與金屬鋁之間的物理性能存在較大差異，金剛石晶體屬于等軸晶系同極鍵四面體結構，如圖2.2所示，C原子位于四面體的端部和中心部位，以同極鍵相連，具有高度的對稱性，其中，處于金剛石表面碳原子的懸掛鍵與相鄰原子懸掛鍵自閉耦合，這種結構造成了低自由能的金剛石表面化學惰性較強，與金屬結合潤濕性差。圖2.2金剛石原子結構示意圖對于金剛石-純鋁體系，Coltters

29、研究表明，熔融金屬鋁對金剛石100晶面潤濕性優(yōu)于111晶面，如圖2.3所示，這是因為金剛石100晶面和111晶面碳原子活性不同。鋁的這種選擇粘附現(xiàn)象會導致材料各相之間不能緊密結合，會出現(xiàn)界面結合力下降，各界面間空隙增多的現(xiàn)象，導致致密度減小，界面熱阻增大，復合材料的熱導率減小26。圖2.3氣壓浸滲制備的金剛石/鋁復合材料腐蝕后的界面形貌所以在制備高導熱金剛石/鋁復合材料時，首先要進行的對金剛石進行界面處理，通常采用的做法是對金剛石表面進行鍍覆預處理來改善界面潤濕性，其原理在于鍍覆金屬會在金剛石表面與強碳化物在合適的工藝條件下，如高溫高壓等，產(chǎn)生強烈的界面反應在兩相間生成一層薄薄的碳化物層27。

30、目前廣泛使用的方法主要有化學氣相沉積、真空微蒸發(fā)鍍覆技術和鹽浴鍍覆等，鍍覆的金屬主要有Ti、W、Cr等。2.2.2實驗工藝參數(shù)及流程實驗開始前采用鹽浴鍍覆的方法對金剛石進行鍍鈦預處理，首先用一定含量的稀鹽酸浸泡金剛石顆粒，洗去表面雜質(zhì)并增加其表面活性；將浸泡過的金剛石顆粒與金屬鈦粉按恰當?shù)谋壤谯釄逯谢旌暇鶆?，再將加入脫氧劑的混合鹽均勻覆蓋在金剛石和鈦粉表面，混合鹽由事先準備的按一定配比的KCl和NaCl混合而成28；最后將坩堝放置于箱式電阻爐中，根據(jù)前人研究經(jīng)驗，確認鹽浴鍍覆溫度850，30min后取出坩堝，用清水煮沸洗去殘余熔渣，得到鍍Ti金剛石顆粒,圖2.4為鍍Ti前后金剛石顆粒的形貌。

31、 a.鍍鈦前 b.鍍鈦后圖2.4鹽浴鍍Ti前后金剛石顆粒形貌本次實驗采用氣壓浸滲法制備50vol%金剛石/鋁復合材料，將進行過鍍Ti處理后的金剛石顆粒裝入石墨模具，多次振蕩處理保證其能充分填充到模具中，然后放入上爐爐腔內(nèi)，設定溫度750，將鋁粉經(jīng)酸洗處理后放入下爐爐腔，設定溫度800；抽吸出爐腔內(nèi)的氣體使其真空化，當真空度達到4000Pa時進行感應加熱；當溫度達到實驗指定溫度后保溫20min，通入壓縮氬氣，在1.5MPa壓力下保溫保壓20min，最后從模具中取出樣品。2.3金剛石/鋁復合材料性能檢測與分析2.3.1致密度測量采用Archimedes排水法對測量并計算出金剛石/鋁復合材料樣品的實

32、際密度c，液體介質(zhì)采用密度水為1g/2的蒸餾水。利用精度為0.001g的分析天平分別測出金剛石/鋁復合材料在空氣中的質(zhì)量m1以及復合材料浸沒蒸餾水后的質(zhì)量m2，實際密度為： （2-1）復合材料的理論密度為 （2-2）致密度為 （2-3）2.3.2SEM、EDS分析SEM的工作原理是從電子槍發(fā)射出電子束，經(jīng)過加速電壓作用聚焦為直徑極其細小的高能電子束，在掃描線圈控制下在試樣表面進行逐點掃描得出圖像，然后通過對這些圖像的分析來獲得對材料表面形貌的了解。本次實驗利用JSM-5600LV型掃描電鏡觀察樣品的的斷口微觀形貌，并用EDS掃描電鏡能譜儀對制備復合材料的界面結構情況進行分析，圖2.5為100m

33、的鍍Ti金剛石/鋁復合材料掃描電鏡圖片。圖2.5鍍Ti金剛石/鋁復合材料的掃描電鏡圖片2.3.3TEM分析為獲取更清晰的樣品表面微觀結構以及確定表面物質(zhì)成分，我們選取JEOLJEM-2001F型透射電子顯微鏡對樣品進行分析檢測。本次分析包括物質(zhì)微觀形貌、微孔尺寸分布、晶體的晶格和缺陷以及衍射花樣等信息，圖2.6為金剛石/鋁復合材料TEM圖像及衍射圖。 (a) (b) 圖2.6 a.鋁基和金剛石界面處TEM圖像 b.樣品選區(qū)電子衍射圖2.3.4XRD分析XRD分析是確定物質(zhì)的晶體結構、進行物相的定性和定量分析最有效準確的方法，在特定波長的X射線照射下，物質(zhì)的晶體結構會以衍射花樣的形式呈現(xiàn)出來，而

34、且當物質(zhì)中包含兩種或兩種以上晶體物質(zhì)時，所得衍射花樣之間互不干涉，根據(jù)這些表征各自晶體的衍射花樣，就能確定物質(zhì)中的晶體結構。本次實驗采用D/MAX2500PC型X射線衍射儀，用粉末衍射儀法獲取物相的衍射圖譜，此方法需事先將材料制成表面光滑的測試樣品，然后通過分析衍射圖譜，獲得各衍射線條的衍射角，根據(jù)布拉格方程計算出晶面間距和各衍射線的相對強度，最后使用檢索手冊，查尋物相PDF卡片號。2.3.5熱導率測量熱導率是作電子封裝材料用金剛石/鋁復合材料最重要的參數(shù)之一，其物理意義是指單位溫度梯度下，單位時間內(nèi)通過單位垂直面積的熱量，是分子微觀運動的宏觀表現(xiàn)，反映了物質(zhì)微觀粒子傳遞熱量的特性。熱導率的測

35、量基本上都是建立在傅立葉熱傳導定律的基礎上，本次實驗的測量方法為激光閃射法，實驗儀器選用德國耐馳LFA447閃光導熱儀，測試溫度為室溫，因為儀器限制，需將樣品制成12.5×3.0的小圓片，測量儀器和原理如圖2.7所示，具體操作如下：首先設定實驗溫度T，然后由導熱儀的激光源發(fā)射出一束光脈沖，均勻照射在樣品下表面，樣品下表面受激光照射后溫度驟然升高，根據(jù)熱傳導的機理熱能開始由高溫向低溫一端傳遞，使用紅外檢測儀，檢測并記錄樣品中心部位溫度變化，得到時間關于溫度升高的關系曲線，即可得到實驗樣品在溫度T下的熱擴散系數(shù)，結合材料的比熱Cp和密度c，根據(jù)公式便可計算出材料的導熱率。 (2-4) a

36、.設備實物圖 b.原理示意圖圖2.7 LFA447激光閃射法導熱系數(shù)測量儀及原理示意圖2.3.6熱膨脹系數(shù)測量物體的體積或長度隨溫度的升高而增大的現(xiàn)象稱為熱膨脹，其物理本質(zhì)是溫度升高時晶體原子熱振動引起物質(zhì)的膨脹，熱膨脹系數(shù)是材料的主要熱力學參數(shù)之一，是評估材料熱穩(wěn)定性的標準。本次實驗研究僅考慮物體長度隨溫度變化的關系，即線膨脹系數(shù)，記錄每升溫1時單位長度的變化，單位為/(·)，實驗所用儀器為德國耐馳DIL402C熱膨脹分析儀，該測量設備的工作原理是隨著溫度升高，材料受熱膨脹，材料長度會隨溫度升高呈線性增加，分析儀會記錄材料的初始長度和隨溫度升高的變化量，并將采集到的材料長度關于溫度的變化曲線通過數(shù)據(jù)采集和傳送處理實時地體現(xiàn)在計算機終端，最后根據(jù)熱膨脹公式，計算復合材料的線膨脹系數(shù)，即材料的熱膨脹系數(shù)，假設實驗樣品原長為L0，溫度升高后長度增加為L1，則： （2-5）式中，1為熱膨脹系數(shù)具體的實驗流程及參數(shù)為：首