近幾十年來，電子工業的發展推動了電子元件的集成和小型化，高性能電子器件的快速發展使得高效散熱成為關鍵問題。金剛石復(fu)合(he)材(cai)料(liao)作為下一代散熱(re)(re)(re)器(qi)和電(dian)子包裝材(cai)料(liao)的(de)(de)候選，備受關注。為提高其熱(re)(re)(re)導(dao)率(lv)，已嘗試多種(zhong)方(fang)法，包括使用(yong)高導(dao)電(dian)性金(jin)屬(shu)基(ji)體(ti)或大型金(jin)剛(gang)(gang)石顆粒、增加金(jin)剛(gang)(gang)石含量(liang)、設計基(ji)體(ti)/金(jin)剛(gang)(gang)石界面(mian)以(yi)降(jiang)低界面(mian)熱(re)(re)(re)阻等(deng)。然(ran)而(er)，金(jin)剛(gang)(gang)石與基(ji)材(cai)界面(mian)的(de)(de)聲子散射限(xian)制了熱(re)(re)(re)導(dao)率(lv)的(de)(de)有(you)效增強，分散的(de)(de)金(jin)剛(gang)(gang)石顆粒難(nan)以(yi)形(xing)成(cheng)有(you)效的(de)(de)熱(re)(re)(re)輸運(yun)通道(dao)，導(dao)致復(fu)合(he)材(cai)料(liao)熱(re)(re)(re)導(dao)率(lv)遠低于預期(qi)。因(yin)此(ci)，在較低金(jin)剛(gang)(gang)石載荷下開發新(xin)方(fang)法來獲得(de)滿意(yi)熱(re)(re)(re)導(dao)率(lv)具有(you)重要(yao)意(yi)義。

       研究進展

       相比于其他無機非金屬導熱復合材料（如氮化硼、氮化鋁、氧化鋁、碳化硅等），金剛(gang)石導(dao)熱(re)(re)復合材料(liao)在導(dao)熱(re)(re)性(xing)能(neng)上表現最優，碳化(hua)硅(gui)和(he)氮(dan)(dan)化(hua)硼(peng)次之，而氧(yang)化(hua)鋁(lv)(lv)和(he)氮(dan)(dan)化(hua)鋁(lv)(lv)相(xiang)對較低(di)。在力(li)學性(xing)能(neng)上，金剛(gang)石硬度最高(gao)但(dan)脆(cui)性(xing)大；氮(dan)(dan)化(hua)硼(peng)和(he)碳化(hua)硅(gui)硬度高(gao)且具韌性(xing)；氧(yang)化(hua)鋁(lv)(lv)和(he)氮(dan)(dan)化(hua)鋁(lv)(lv)則較差。從化(hua)學穩定(ding)性(xing)來看，無(wu)機非金屬材料(liao)普遍穩定(ding)，金剛(gang)石尤為突(tu)出。下(xia)文將(jiang)著(zhu)重(zhong)介紹金剛(gang)石導(dao)熱(re)(re)復合材料(liao)的主要(yao)制備成(cheng)型方式、導(dao)熱(re)(re)機理等。

       1、共混法

       原理：在制備復(fu)合(he)材料中，通過簡單的填料共(gong)混(hun)就可以直接實現(xian)復(fu)合(he)材料中高效的導熱網絡，但(dan)往(wang)(wang)往(wang)(wang)需要較大含量的填料才能實現(xian)復(fu)合(he)材料的高導熱性(xing)能。

       進(jin)展：（1）Zhao等將納(na)(na)米金剛(gang)石（ND）顆粒通過化學反(fan)應(ying)被包裹(guo)在碳(tan)納(na)(na)米管(guan)(guan)的(de)(de)表面(mian)。再將有ND涂層(ceng)的(de)(de)碳(tan)納(na)(na)米管(guan)(guan)（CNT-ND）和(he)環氧(yang)樹脂(zhi)進(jin)行共混(hun)分(fen)散。結果表明，涂層(ceng)NDs降低(di)了碳(tan)納(na)(na)米管(guan)(guan)的(de)(de)表面(mian)能，這使得(de)CNT-NDs在環氧(yang)基體中(zhong)得(de)到了良好分(fen)散。CNT-ND的(de)(de)摻入(ru)對復(fu)合材料的(de)(de)導電率的(de)(de)影響較(jiao)小，但卻提(ti)高了復(fu)合材料的(de)(de)熱導率。

       （2）Zeng等采用重復壓縮的方法(fa)，將(jiang)金(jin)剛石(shi)(shi)、碳纖維(wei)以及(ji)液態金(jin)屬(shu)(shu)鎵制(zhi)備成復合(he)材(cai)料。在(zai)重復壓縮過程中，液態金(jin)屬(shu)(shu)會產生新的氧(yang)化皮，氧(yang)化物(wu)附著在(zai)金(jin)剛石(shi)(shi)上(shang)從而被(bei)鎵潤(run)濕，制(zhi)備過程圖(tu)如上(shang)圖(tu)所示。結果表明，隨(sui)著碳纖維(wei)含量的增加，鎵/金(jin)剛石(shi)(shi)/碳纖維(wei)復合(he)材(cai)料的熱導率先增加后(hou)降低(di)。

挑戰：共混法制備金剛石(shi)導熱復(fu)合(he)材料最(zui)主要需(xu)要克服就是(shi)接(jie)觸熱阻，優化接(jie)觸熱阻可以有效的提高復(fu)合(he)材料的導熱性能。

       2、構筑模板法

       原理：利用預制模板分散導熱填料，去除模板后形成取向結構的導熱填料，可在低填充體積下實現高導熱性。

       進(jin)展：（1）Du等通過對氮化硼（BN）蜂窩(wo)內的金剛石(shi)進(jin)行(xing)對準，得到(dao)了(le)1個類似豆莢狀的三維(wei)互聯熱滲透網絡。采用冰模板(ban)法制(zhi)備了(le)BN蜂窩(wo)，接(jie)著將環氧樹脂和金剛石(shi)同時(shi)通過真空(kong)滲透加入到(dao)BN模板(ban)中。測試(shi)結果顯示，當BN含量(liang)(liang)為(wei)7%，金剛石(shi)含量(liang)(liang)為(wei)12%時(shi)，復合材(cai)料的導熱率高達2.720W/mK，分(fen)別是(shi)純環氧樹脂和隨機混合樣(yang)品(pin)的12.5倍和5.8倍，制(zhi)備過程下圖所示。

       （2）Liu等采用碳化硅泡(pao)沫為(wei)模(mo)板，搭配液態硅滲入制備了以金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)為(wei)三(san)維(wei)連接金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)/SiC復合(he)材(cai)料。研究結(jie)(jie)果表明(ming)，當金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)填充含量為(wei)26%時，三(san)維(wei)結(jie)(jie)構的金剛(gang)石(shi)(shi)(shi)/SiC復合(he)材(cai)料的熱導率可達(da)到298W/mK。

       優勢(shi)：適用于多種(zhong)基體材料，可確保(bao)金剛石均勻(yun)分布，優化導熱路徑，降低(di)界(jie)面熱阻。

       3、電沉積技術

       原理(li)：電沉(chen)(chen)積(ji)技(ji)術是(shi)一種基于(yu)電化(hua)學原理(li)的(de)制備方法，可以通過(guo)在試樣表面均勻沉(chen)(chen)積(ji)材料，從而實(shi)現對復合材料結(jie)構的(de)精確控制。

       進展：（1）Cho等采用電沉(chen)積技術制(zhi)備得到了(le)碳(tan)化鈦包裹金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)/銅(tong)(tong)復(fu)合材料(liao)，制(zhi)備過(guo)程如下圖所示。測試結果顯示，在68.2%金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)時(shi)，觀(guan)察(cha)到的(de)最大熱導(dao)(dao)(dao)率為454W/mK。為了(le)進一(yi)步(bu)提(ti)高導(dao)(dao)(dao)熱率，在金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)顆粒上(shang)進行了(le)碳(tan)化鈦涂層。在電沉(chen)積銅(tong)(tong)基體中嵌(qian)入(ru)TiC涂層金(jin)剛(gang)(gang)石(shi)顆粒，在34.7%時(shi)的(de)熱導(dao)(dao)(dao)率提(ti)高到557W/mK，比純(chun)銅(tong)(tong)的(de)400W/mK高出40%。

       （2）Hagio等(deng)采用電沉(chen)積(ji)方法在金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)表面沉(chen)積(ji)碳(tan)(tan)(tan)化硅涂(tu)層并(bing)制備得到了金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)/銅(tong)復(fu)合(he)材料。試驗結(jie)果表明，沉(chen)積(ji)2.72 %碳(tan)(tan)(tan)化硅涂(tu)層包裹納米金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)/銅(tong)復(fu)合(he)材料的熱導率比純銅(tong)鍍層高46 W/mK。微觀下，金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)與銅(tong)基(ji)體之間(jian)會出現(xian)明顯的間(jian)隙(xi)，而(er)沉(chen)積(ji)碳(tan)(tan)(tan)化硅包裹的金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)和(he)銅(tong)基(ji)體則(ze)不會出現(xian)間(jian)隙(xi)。

       適(shi)用(yong)范(fan)圍(wei)：常適(shi)用(yong)于金(jin)屬(shu)(shu)基材(cai)，可(ke)協同沉積金(jin)剛(gang)石和其他金(jin)屬(shu)(shu)離(li)子起(qi)到保護作用(yong)。

       4、燒結技術

       原理(li)：燒結(jie)技術是一種通過高溫處理(li)原材(cai)料，使其顆粒相互結(jie)合形(xing)成致(zhi)密塊狀材(cai)料的過程。

       進(jin)展：（1）Wu等利用燒結(jie)技術開發了一(yi)種以氮化硅(gui)（氮化硅(gui)）為(wei)襯底和金剛石(shi)顆粒作為(wei)增強相的(de)新型復合材料(liao)(liao)， 以提(ti)高導熱性(xing)和力(li)學性(xing)能，具體(ti)制備過程如(ru)下圖(tu)所示(shi)。測試(shi)結(jie)果表明，在金剛石(shi)含(han)量為(wei)50%時，最大熱導率為(wei) 201.96 W/mK，比(bi)氮化硅(gui)陶瓷高272.87%。此外，與一(yi)些當代基材相比(bi)，該復合材料(liao)(liao)具有更好的(de)硬度(du) （32.84GPa）和較低的(de)CTE（3.07×10-6 K-1）。

       （2）Jhong等采用(yong)無壓燒結(jie)法制備了(le)(le)金剛(gang)石(shi)/銀(yin)(yin)-鈦復合(he)材料(liao)，少量的Ti有效(xiao)地改善了(le)(le)金剛(gang)石(shi)和銀(yin)(yin)基體(ti)之(zhi)間的潤濕性。當填充(chong)60%金剛(gang)石(shi)（300μm/銀(yin)(yin)和1.5%鈦時，復合(he)材料(liao)的熱導(dao)率可達953W/mK。

       挑(tiao)(tiao)戰(zhan)：通常需要高溫(wen)，可能導(dao)致材料氧化、相變或不穩(wen)定(ding)，且確保金(jin)剛石均勻(yun)分散具有挑(tiao)(tiao)戰(zhan)性。

       5、測控濺射技術

       原(yuan)理：磁(ci)控濺射(she)技術(shu)是利用磁(ci)場和電場來操控靶(ba)材表面(mian)的離(li)子化過程(cheng)，產生等離(li)子體并將靶(ba)材原(yuan)子沉積(ji)到材料表面(mian)上。

       進(jin)展：（1）Liu等采用磁控濺射法(fa)將Cu/Cr雙層膜沉積在單(dan)晶金(jin)剛石(shi)襯底上，形成Cu/Cr/金(jin)剛石(shi)夾層結(jie)構，具(ju)體示(shi)意(yi)流(liu)程如(ru)下圖(tu)所示(shi)。實(shi)驗結(jie)果顯(xian)示(shi)，與未改性(xing)的Cu/金(jin)剛石(shi)結(jie)構相比(bi)，Cr層增(zeng)加(jia)了Cu和金(jin)剛石(shi)之(zhi)間的界面熱(re)阻值。隨著Cr3C2層厚度的增(zeng)加(jia)，界面熱(re)阻值下降到86MW/（m2·K）。

       （2）Yang等(deng)采(cai)用磁控濺射法在金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)顆(ke)粒上制備了(le)(le)厚度范(fan)圍為35~130 nm的鎢(wu)(wu)涂層，然后采(cai)用真空入滲法制備了(le)(le)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)/鋁(lv)復合材(cai)料(liao)。制備的鎢(wu)(wu)涂層在金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)顆(ke)粒的各(ge)個方面(mian)(mian)都光滑致密(mi)。此外，鎢(wu)(wu)涂層的存(cun)在抑制了(le)(le)界(jie)面(mian)(mian)脫鍵現象(xiang)，改善了(le)(le)金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)顆(ke)粒與鋁(lv)基體(ti)之間的界(jie)面(mian)(mian)結合。當鎢(wu)(wu)涂層為45nm時，金(jin)(jin)剛(gang)石(shi)(shi)/鋁(lv)復合材(cai)料(liao)達到了(le)(le)最大(da)的熱導率（622W/mK）。

       優勢(shi)：磁(ci)控濺射技術允許(xu)精確控制薄(bo)膜的厚(hou)度和(he)(he)均勻性；磁(ci)控濺射產生的薄(bo)膜通常具有較高的結晶質量和(he)(he)致密(mi)性，這有助于提高導熱(re)性能；磁(ci)控濺射技術可以應用于復雜的基底結構，包括三(san)維結構和(he)(he)微納(na)米結構。

       6、化學氣相沉積技術（CVD）

       原理：CVD是(shi)一種通過氣相反(fan)應(ying)在固體表面沉積(ji)薄(bo)膜或涂層的方法。CVD過程(cheng)的參數可以(yi)精確控制，包(bao)括反(fan)應(ying)氣體組(zu)成(cheng)、壓力(li)、溫度等(deng)。這使得(de)制備(bei)金剛石導熱(re)復合材料的工藝條件可以(yi)根據需(xu)求進行優化(hua)，以(yi)實現更(geng)好的性(xing)能。

       進展：（1）Jiao等首先通過(guo)(guo)CVD技(ji)術在泡沫骨架(jia)表面沉積連續的(de)金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)薄膜層，然(ran)后以(yi)鎳顆粒為(wei)催化(hua)劑，在金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)薄膜上垂直生長碳(tan)納米管(guan)。碳(tan)納米管(guan)延(yan)伸到泡沫骨架(jia)內部的(de)孔(kong)內，作為(wei)次級傳熱途徑(jing)，制備過(guo)(guo)程如下圖所示。結果(guo)表明，石(shi)(shi)蠟(la)/金(jin)剛(gang)石(shi)(shi)泡沫/碳(tan)納米管(guan)復合材料（PWs/DF-CNT）具有(you)5.3 W/mK，是石(shi)(shi)蠟(la)基體的(de)19.6倍；PWs/DF-CNT的(de)潛熱為(wei)83.37 J/g。

       （2） Ye等提出了一種由熱燈絲化學氣相(xiang)沉積（HFCVD）制備的宏觀多孔結(jie)構(gou)金剛(gang)石泡沫的熱管理方法(fa)。結(jie)果表(biao)明，當(dang)填充1.2%（質(zhi)量分數）金剛(gang)石時，環(huan)氧(yang)/DF復合(he)材(cai)料的熱導(dao)率從0.23W/mK（純環(huan)氧(yang)樹(shu)脂）提高到2.28W/mK。

       特點(dian)：利用CVD可以直接在基(ji)體(ti)(ti)上沉積金(jin)剛石，從而提(ti)高(gao)(gao)基(ji)體(ti)(ti)的(de)熱管理性能，但若要大(da)幅度提(ti)高(gao)(gao)復合(he)(he)材料的(de)導熱性能，可以結合(he)(he)模(mo)板法、3D打印、靜電(dian)紡絲(si)等來構筑金(jin)剛石增強三維網絡結構。 

   不(bu)同方法對比小結(jie)