中國(guó)粉體網(wǎng)訊 在科技飛速發(fā)展的今天，導(dǎo)熱材料在眾多領(lǐng)域都扮演著舉足輕重的角色。從電子設(shè)備的散熱到能源領(lǐng)域的熱管理，高效的導(dǎo)熱材料能夠顯著提升系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性。在眾多導(dǎo)熱材料中，金剛石作為一種新興的導(dǎo)熱材料，正逐漸嶄露頭角并后來(lái)居上。
金剛石的結(jié)構(gòu)與導(dǎo)熱原理
金剛石是由碳原子以共價(jià)鍵結(jié)合而成的正四面體結(jié)構(gòu)晶體。每個(gè)碳原子都與周?chē)膫�(gè)碳原子形成強(qiáng)共價(jià)鍵，這種結(jié)構(gòu)使得金剛石具有極高的穩(wěn)定性和獨(dú)特的物理性質(zhì)。
其導(dǎo)熱原理主要基于聲子的傳導(dǎo)機(jī)制。在金剛石晶體中，碳原子的振動(dòng)以聲子的形式傳遞熱量。由于金剛石的共價(jià)鍵強(qiáng)且晶體結(jié)構(gòu)規(guī)整，聲子在其中的散射幾率極小，能夠以極高的速度傳播熱量。與金屬中主要依靠自由電子導(dǎo)熱不同，金剛石的這種聲子導(dǎo)熱方式使其在高溫下依然能夠保持良好的導(dǎo)熱性能，并且不會(huì)像金屬那樣因電子散射等因素而導(dǎo)致導(dǎo)熱率下降。
金剛石導(dǎo)熱材料的特點(diǎn)及相比其他導(dǎo)熱材料的優(yōu)勢(shì)
（一）超高的熱導(dǎo)率
金剛石的熱導(dǎo)率通常在2000W/(m·K)左右，是已知導(dǎo)熱性能最佳的材料之一，遠(yuǎn)高于常見(jiàn)的金屬如銅（約398W/m·K）、鋁（約200W/m·K）以及其他非金屬導(dǎo)熱材料。例如在電子設(shè)備中，金剛石散熱片能夠更快速有效地將芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，防止熱積累導(dǎo)致的性能下降或損壞，大大提高設(shè)備的散熱效率，延長(zhǎng)其使用壽命。
金剛石熱沉片 圖源：河南飛孟金剛石股份有限公司
（二）出色的熱穩(wěn)定性
金剛石具有極高的熔點(diǎn)和沸點(diǎn)，在高溫環(huán)境下仍能保持穩(wěn)定的性能，不易發(fā)生變形、熔化等現(xiàn)象，可在極端溫度條件下正常工作。像在航空航天領(lǐng)域的熱管理系統(tǒng)中，金剛石導(dǎo)熱材料能夠承受航天器在太空中所面臨的劇烈溫度變化，有效管理內(nèi)部設(shè)備的溫度，確保其正常運(yùn)行，對(duì)于保障航天任務(wù)的順利進(jìn)行意義重大。
（三）較低的熱膨脹系數(shù)
金剛石的熱膨脹系數(shù)較小，與其他材料配合使用時(shí)，在溫度變化過(guò)程中產(chǎn)生的熱應(yīng)力較小，有利于提高材料的穩(wěn)定性和可靠性，減少因熱脹冷縮導(dǎo)致的材料損壞。比如在制造電子封裝材料時(shí)，金剛石與芯片及其他封裝材料之間的熱膨脹系數(shù)匹配性較好，能夠避免因溫度變化產(chǎn)生過(guò)大的應(yīng)力而影響封裝的密封性和芯片的性能。
（四）良好的化學(xué)穩(wěn)定性
金剛石在常溫下對(duì)大多數(shù)酸、堿和有機(jī)溶劑具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易受到化學(xué)物質(zhì)的侵蝕，能夠在多種化學(xué)環(huán)境中保持穩(wěn)定的導(dǎo)熱性能。這使得金剛石導(dǎo)熱材料在一些惡劣的化學(xué)環(huán)境或特殊的工業(yè)應(yīng)用中，如化工、食品加工等領(lǐng)域的高精度溫度控制設(shè)備中，具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作而不被腐蝕損壞。
（五）高硬度和高強(qiáng)度
金剛石是自然界中最硬的物質(zhì)，具有極高的硬度和耐磨性能。作為導(dǎo)熱材料使用時(shí)，不僅能夠有效地傳導(dǎo)熱量，還可以增強(qiáng)復(fù)合材料的機(jī)械強(qiáng)度和耐磨性，提高材料的整體性能和使用壽命。比如在制造高端的切割工具、研磨設(shè)備等時(shí)，添加金剛石導(dǎo)熱材料可以在保證良好散熱的同時(shí)，提高工具的耐用性和使用壽命。
（六）可定制性強(qiáng)
通過(guò)改變金剛石的合成條件和摻雜工藝等，可以在一定程度上定制金剛石的性能，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的特定要求。例如在半導(dǎo)體領(lǐng)域，通過(guò)摻雜不同的雜質(zhì)，可以調(diào)整金剛石的電學(xué)性能，使其成為具有特定功能的半導(dǎo)體材料，同時(shí)結(jié)合其高導(dǎo)熱性能，可用于制造高性能的功率半導(dǎo)體器件等。
金剛石導(dǎo)熱材料為何能后來(lái)居上
性能優(yōu)勢(shì)：金剛石在導(dǎo)熱性能上遠(yuǎn)超傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料，尤其是在高溫環(huán)境下的穩(wěn)定性和高導(dǎo)熱率，使其能夠滿足一些新興高科技領(lǐng)域?qū)ι岵牧先找鎳?yán)苛的要求。在5G通信基站中的功率放大器，其工作時(shí)產(chǎn)生大量熱量，金剛石散熱材料能夠有效解決散熱問(wèn)題，保障基站的正常運(yùn)行，而傳統(tǒng)材料則難以勝任。
制備技術(shù)的發(fā)展：雖然金剛石的制備成本仍然較高，但隨著化學(xué)氣相沉積等制備技術(shù)的不斷改進(jìn)和完善，金剛石的產(chǎn)量逐漸增加，質(zhì)量也不斷提高，成本呈下降趨勢(shì)。這使得金剛石在更多領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能，逐漸打破了傳統(tǒng)導(dǎo)熱材料的市場(chǎng)格局。在大面積金剛石薄膜的制備方面，CVD技術(shù)的進(jìn)步使得其能夠應(yīng)用于大規(guī)模集成電路的散熱，而在過(guò)去這是難以實(shí)現(xiàn)的。
CVD金剛石熱沉片 圖源：長(zhǎng)沙墨本新材料有限公司
新興領(lǐng)域的需求推動(dòng)：在新能源、量子計(jì)算、人工智能等新興領(lǐng)域，對(duì)高性能導(dǎo)熱材料的需求極為迫切。以量子計(jì)算機(jī)為例，量子比特的穩(wěn)定運(yùn)行需要極低的溫度環(huán)境，金剛石的高導(dǎo)熱性有助于構(gòu)建高效的低溫制冷系統(tǒng)，為量子計(jì)算的發(fā)展提供了有力支持。這些新興領(lǐng)域的快速發(fā)展為金剛石導(dǎo)熱材料提供了廣闊的應(yīng)用空間，促使其在導(dǎo)熱材料競(jìng)爭(zhēng)中脫穎而出。
金剛石導(dǎo)熱材料的應(yīng)用領(lǐng)域
高性能電子封裝材料：在高端電子設(shè)備中，如電腦CPU、GPU等芯片的封裝，使用金剛石導(dǎo)熱材料能夠快速將芯片產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去，防止熱積累導(dǎo)致的性能下降或損壞，延長(zhǎng)芯片使用壽命，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。
激光設(shè)備散熱片：由于金剛石具有優(yōu)異的導(dǎo)熱性能和光學(xué)透明性，可作為激光設(shè)備的關(guān)鍵散熱部件，有助于提高激光器的輸出功率和穩(wěn)定性，同時(shí)延長(zhǎng)其使用壽命，廣泛應(yīng)用于工業(yè)激光加工、激光通信等領(lǐng)域。
航空航天領(lǐng)域的熱管理：在航空航天領(lǐng)域，金剛石導(dǎo)熱材料用于航天器的熱管理系統(tǒng)，能夠在極端溫度變化下保持穩(wěn)定，有效管理航天器內(nèi)部設(shè)備的溫度，確保其正常運(yùn)行，對(duì)于保障航天任務(wù)的順利進(jìn)行具有重要意義。
高速列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)：高速列車(chē)制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量熱量，金剛石導(dǎo)熱材料應(yīng)用于制動(dòng)盤(pán)，可提高散熱效率，減少熱衰退現(xiàn)象，提升制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和使用壽命，保障列車(chē)的運(yùn)行安全。
LED照明和顯示技術(shù)：用于制造LED照明和顯示產(chǎn)品的散熱基板，能夠有效降低LED芯片的工作溫度，提高發(fā)光效率和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命，對(duì)于推動(dòng)LED技術(shù)在照明和顯示領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用具有重要作用。
新能源汽車(chē)熱管理：在新能源電動(dòng)汽車(chē)的熱管理系統(tǒng)中，金剛石導(dǎo)熱材料可提高電池散熱效率，防止電池過(guò)熱，從而提升電動(dòng)汽車(chē)的整體性能和安全性，對(duì)于新能源汽車(chē)的發(fā)展和推廣具有重要的支持作用。
高溫爐膛材料：在工業(yè)高溫爐膛中，金剛石導(dǎo)熱材料作為爐襯材料，不僅能夠承受極高的溫度，還能有效傳導(dǎo)熱量，提高爐膛的熱效率，降低能源消耗，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。
參考來(lái)源：
唐波等：金剛石導(dǎo)熱復(fù)合材料的研究進(jìn)展
趙繼文等：微波等離子體化學(xué)氣相沉積法合成高導(dǎo)熱金剛石材料及器件應(yīng)用進(jìn)展
黃雷波等：金剛石微粉含量對(duì)硅酸鈉基導(dǎo)熱膠粘接和導(dǎo)熱性能的影響
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