中國粉體網(wǎng)訊 在電子信息技術(shù)快速發(fā)展的時(shí)代，為了適應(yīng)微型化、高性能和高可靠性的要求，高導(dǎo)熱是電子封裝材料的突出特點(diǎn)。
金剛石的特性
金剛石是自然界已知物質(zhì)中硬度最高的材料，具有出色的耐磨性和抗腐蝕性。金剛石具有卓越的導(dǎo)熱性能，它能夠迅速地將熱量從一個(gè)點(diǎn)傳遞到另一個(gè)點(diǎn)。這種高效的導(dǎo)熱能力主要?dú)w功于金剛石內(nèi)部碳原子之間強(qiáng)大的共價(jià)鍵。這些共價(jià)鍵不僅確保了金剛石的穩(wěn)定性，還促進(jìn)了熱量在晶體結(jié)構(gòu)中的快速傳遞。
在實(shí)際應(yīng)用中，金剛石的導(dǎo)熱性質(zhì)使得它在高溫等惡劣工況下具有優(yōu)異的性能表現(xiàn)。例如，在電子器件中，金剛石可以作為散熱材料，有效地將熱量從發(fā)熱元件傳遞到散熱器，從而保持器件的正常工作溫度。
金剛石/碳化硅復(fù)合材料
金剛石具有極高的導(dǎo)熱率，作為復(fù)合材料的功能增強(qiáng)相將顯著提升材料的整體導(dǎo)熱性能。隨著人造金剛石技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格逐步降低，結(jié)合Cu、Al、SiC等廉價(jià)成分，能夠有效的控制成本，使其應(yīng)用領(lǐng)域逐步擴(kuò)大。相較于金剛石增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料，金剛石與碳化硅的結(jié)構(gòu)相似，潤濕性與熱膨脹匹配性要比金屬與金剛石好的多。因此，金剛石/碳化硅復(fù)合材料相較于金剛石增強(qiáng)的金屬基復(fù)合材料具有更好的穩(wěn)定性和熱性能。金剛石和碳化硅是典型的硬質(zhì)脆性材料，因此金剛石/碳化硅復(fù)合材料是一種優(yōu)異的超硬復(fù)合材料。此外，金剛石與碳化硅還具備絕緣電阻高、介電常數(shù)低、密度低等特性，因此是作為新一代電路基板材料的理想選擇。
在金剛石/碳化硅復(fù)合材料中，大粒徑金剛石為聲子在內(nèi)部傳輸時(shí)提供長程有序的晶格結(jié)構(gòu)，開辟內(nèi)部導(dǎo)熱通道。將金剛石與碳化硅強(qiáng)強(qiáng)結(jié)合制備的金剛石/碳化硅復(fù)合材料具有高導(dǎo)熱率、高硬度、高模量、耐高溫、高溫抗氧化性、抗熱震性等優(yōu)異特性，廣泛應(yīng)用于航空航天、新型節(jié)能汽車、等領(lǐng)域，已經(jīng)成為最理想的耐高溫、高導(dǎo)熱、高硬度候選功能材料之一。
國外研究金剛石/碳化硅復(fù)合材料的時(shí)間比較早且較成熟，如美國、俄羅斯、日本、韓國，2004年瑞士的Skeleton Technologies AG公司使用液相滲硅法制備了金剛石/碳化硅復(fù)合材料，并申請了相關(guān)專利，后被Element Six (E6)公司收購金剛石/碳化硅復(fù)合材料的相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。E6公司表示收購的金剛石/碳化硅復(fù)合材料將用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器及其他高功率電子系統(tǒng)的熱管理領(lǐng)域。國外大多數(shù)專注于合成工藝、合成機(jī)理、力學(xué)性能、電學(xué)性能的研究。國內(nèi)研究相對較晚，以四川大學(xué)、北京科技大學(xué)、中國科學(xué)院、國防科技大學(xué)、華中科技大學(xué)為代表的高校和研究所在2010年后相繼開展了金剛石/碳化硅復(fù)合材料的研究。
金剛石/碳化硅復(fù)合材料的制備技術(shù)
金剛石在常溫常壓下屬于熱力學(xué)不穩(wěn)定相，在一定條件下會(huì)自發(fā)向穩(wěn)定的石墨相轉(zhuǎn)變。對金剛石/碳化硅復(fù)合材料而言，如果金剛石和碳化硅之間存在一層石墨，會(huì)存在較大的晶格失配或晶格不連續(xù)性，在金剛石/碳化硅界面區(qū)域發(fā)生嚴(yán)重的聲子邊界散射現(xiàn)象，散射會(huì)截?cái)嗦曌拥钠骄杂沙�，從而�?yán)重降低復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。為了成功制備金剛石/碳化硅復(fù)合材料，就要防止金剛石石墨化，或者說將金剛石已經(jīng)石墨化的部分和硅通過反應(yīng)消耗掉。而金剛石在高壓下是穩(wěn)定相，故早期研究人員采用高溫高壓燒結(jié)法制備金剛石/碳化硅復(fù)合材料，可以有效防止金剛石石墨化。
隨著研究的不斷深入，關(guān)于金剛石/碳化硅復(fù)合材料的制備出現(xiàn)了多種不同的方法，按照復(fù)合材料內(nèi)碳化硅的主要來源，可以大致分為兩類。一類是通過復(fù)合材料內(nèi)已有碳源與硅高溫下反應(yīng)生成碳化硅并與金剛石結(jié)合形成復(fù)合材料，這也是最常見的金剛石/碳化硅復(fù)合材料的制備方法，如高溫高壓燒結(jié)法、放電等離子燒結(jié)法、熱等靜壓法和熔滲法等；另一類是通過其他方式引入碳化硅并與金剛石結(jié)合形成復(fù)合材料，如先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法和化學(xué)氣相沉積法等。方法主要如下：
高溫高壓燒結(jié)法
高溫高壓燒結(jié)法（HPHT）是把金剛石微粉和純硅粉充分混合均勻后在高溫和高壓下進(jìn)行原位反應(yīng)生成碳化硅，最終得到金剛石/碳化硅復(fù)合材料。高溫高壓法具有周期短，材料均勻性好，有效避免金剛石石墨化的優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)備成本高，合成塊的尺寸導(dǎo)致制備的材料形狀受限，適用生產(chǎn)超高精度加工、電子封裝材料。
高溫高壓法制備的金剛石碳化硅復(fù)合材料SEM圖(圖源：材料導(dǎo)報(bào))
放電等離子燒結(jié)法
放電等離子燒結(jié)（SPS）利用直流電在短時(shí)間內(nèi)使用較高燒結(jié)壓力進(jìn)行粉末的高速固結(jié)。在放電等離子燒結(jié)過程中，粉末顆粒間隙被瞬間施加放電等離子體。放電等離子燒結(jié)工藝可以將燒結(jié)溫度控制在硅熔點(diǎn)以下，較低的燒結(jié)溫度和較短的燒結(jié)時(shí)間可以在很大程度上阻止金剛石石墨化，而且更加節(jié)能和低成本。
熱等靜壓法
熱等靜壓（HIP）工藝是將金剛石和硅粉放置于密閉容器中，施以各向同等的壓力，同時(shí)在高溫作用下完成材料燒結(jié)和致密化。熱等靜壓工藝具有生產(chǎn)周期短、工序少和能耗低等優(yōu)點(diǎn)，但受限于生產(chǎn)設(shè)備的影響，難以制備出復(fù)雜形狀和大尺寸的金剛石/碳化硅復(fù)合材料，且制備壓力低于金剛石熱穩(wěn)定區(qū)壓力，因此無法完全避免金剛石顆粒發(fā)生石墨化。
熔滲法
熔滲法是熔體借助浸潤導(dǎo)致毛細(xì)管力自發(fā)滲入多孔預(yù)制件的一種工藝。與其他工藝相比，熔滲法不需要復(fù)雜的過程和昂貴的設(shè)備，制備工藝簡單，卻可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的近凈尺寸成型。主要包括壓力熔滲法、無壓液相反應(yīng)熔滲法、無壓氣相反應(yīng)滲透法。其中，無壓液相反應(yīng)熔滲法具有設(shè)備要求簡單、成本低、生產(chǎn)周期短、產(chǎn)品致密度高、燒結(jié)不變形和可實(shí)現(xiàn)近凈尺寸成型等一系列優(yōu)點(diǎn)，是一種極具競爭力的生產(chǎn)方法。
無壓液相反應(yīng)熔滲法制備的金剛石碳化硅復(fù)合材料SEM圖(圖源：材料導(dǎo)報(bào))
先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法
先驅(qū)體轉(zhuǎn)化法（PIP）是近年來發(fā)展的制備連續(xù)纖維增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料的方法。聚碳硅烷是制備碳化硅基復(fù)合材料的主要前驅(qū)體，在一定溫度下發(fā)生裂解生成碳化硅包裹在金剛石表面并填充基體孔隙。聚碳硅烷轉(zhuǎn)化而成的β-SiC與α-SiC和金剛石具有良好的潤濕性，同時(shí)β-SiC作為涂層可以有效抑制金剛石的石墨化，但PIP工藝參數(shù)對復(fù)合材料致密度和開孔率的影響較大。該方法較為簡單，生產(chǎn)成本較低，但聚碳硅烷的轉(zhuǎn)化率低，前驅(qū)體轉(zhuǎn)化往往需要重復(fù)“浸漬⁃裂解”次數(shù)，制備周期較長，且難以得到理想的致密化結(jié)構(gòu)。
參考來源：
[1]劉正帥，高溫高壓法合成金剛石/碳化硅復(fù)合材料及優(yōu)化導(dǎo)熱性能研究
[2]劉鵬飛，金剛石/碳化硅復(fù)合材料基板的制備及性能研究
[3]朱萬利等，金剛石/碳化硅復(fù)合材料的研究進(jìn)展
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/梧桐）
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