金剛石因其極高的熱導率（約 2000 W/(m?K)）成為高熱導復合材料的理想增強相，但傳統(tǒng)金剛石-金屬復合材料存在界面潤濕性差、材料密度高等問題。近年來，金剛石非金屬復合材料憑借低密度、界面相容性優(yōu)化等優(yōu)勢逐漸成為研究熱點，為高熱導材料設(shè)計提供了新方向。本文將重點介紹幾類重要的金剛石非金屬復合材料及其性能特點。

       金剛石-碳酸鹽復合材料

       在高溫高壓（2100 °C, 8 GPa）條件下制備的金剛石-CaCO?和金剛石-CaMg(CO?)?復合材料展現(xiàn)出增強的金剛石-碳酸鹽界面結(jié)合力（圖a）。這類復合材料具有優(yōu)異的電絕緣性，表明其熱傳導主要通過聲子機制實現(xiàn)。得益于金剛石顆粒間的高度相互連接，其熱導率可達540 W/(m·K) 。研究指出，通過優(yōu)化制備條件（如更高的溫度和壓力），其熱導率仍有提升空間。

        先進金剛石非金屬復合材料作為熱擴散器。（a）金剛石非金屬復合材料的顯微圖像（基體填料I：CaCO? ，II：CaMg(CO?)? ，III：SiC ）。（b）金剛石環(huán)氧復合材料的三維結(jié)構(gòu)。(c) 鉆石與環(huán)氧樹脂基體之間的電荷轉(zhuǎn)移模式。 (d) 鉆石硅復合材料的結(jié)構(gòu) 。(e)材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的示意圖 。(f)金剛石Si?N?復合材料與其他材料的熱散逸紅外圖像。(g)NCMC與CMC熱散逸紅外圖像的比較。

       金剛石-環(huán)氧樹脂復合材料

       金剛石-環(huán)氧樹脂復合材料在均勻電場中表現(xiàn)出較低的相對介電常數(shù)和良好的力學性能（圖b），這使其在加熱工況下具備優(yōu)異的耐高壓能力。值得注意的是，此類復合材料通常使用未經(jīng)物理或化學表面處理的金剛石顆粒，有效避免了金剛石-環(huán)氧樹脂界面處的電荷聚集現(xiàn)象。如圖c所示，環(huán)氧樹脂基體與金剛石的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生反向彎曲，降低了電子轉(zhuǎn)移的勢壘高度，從而促進了自由電荷的遷移。與純環(huán)氧樹脂相比，復合材料的導熱能力顯著增強。

       金剛石-玻璃復合材料

       以金剛石顆粒和低熔點硼硅酸鹽玻璃為原料制備的金剛石-玻璃復合材料，在燒結(jié)過程中熔融玻璃能快速包裹金剛石顆粒，促進坯體快速致密化。研究發(fā)現(xiàn)，當與約30 μm的金剛石顆粒復合時，材料可獲得最佳的致密度。這種結(jié)構(gòu)有利于形成高效的熱傳導路徑。此外，此類復合材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）約為4.35 ppm/K，與常見的芯片材料具有良好的匹配性。

       4. 金剛石-碳化硅/硅復合材料

       金剛石-碳化硅（SiC）復合材料具有廣闊的應(yīng)用潛力，這源于SiC本身的高熱導率（如6H-SiC可達490 W/(m·K)）和低熱膨脹系數(shù)（如3C-SiC約為3.5 ppm/K）。該復合材料通常通過金剛石與硅（Si）的反應(yīng)（如熔融硅浸滲法）來制備，能形成強界面結(jié)合。研究表明：

       SiC傾向于優(yōu)先在金剛石(111)晶面上形成。

       當金剛石表面被SiC完全覆蓋時，碳的擴散會受到阻礙，從而限制SiC的進一步形成速率。

       在金剛石/SiC界面有時會觀察到一層薄石墨層，表明SiC可能通過石墨層的異質(zhì)成核形成，而非直接在金剛石表面生成。這種快速、自發(fā)的反應(yīng)過程可能導致界面處存在高密度晶體缺陷，影響最終致密度。

       熔融硅浸滲法是制備金剛石-SiC復合材料的常用技術(shù)：

       He等利用此法制備的復合材料中，冷卻時殘余硅的膨脹有助于致密化過程，金剛石與基體結(jié)合緊密（圖a）。

       增大金剛石顆粒尺寸（如300 μm）可減少反應(yīng)面積，降低SiC含量，增加殘余硅含量。雖然殘余硅不利于導熱且會降低彎曲強度（因SiC增強作用減弱），但大顆粒金剛石間形成的直接高效熱通道占主導，使熱導率高達616 W/(m·K)。

       Zhang等證實該材料在高達700 °C的環(huán)境下仍具優(yōu)異熱穩(wěn)定性，界面形成的SiC因其與金剛石聲子譜更匹配，有利于界面熱傳導。

       Chen等結(jié)合光固化成型與反應(yīng)熔融滲透技術(shù)，成功制備出具有高精度復雜結(jié)構(gòu)的金剛石-SiC復合材料。通過顆粒級配優(yōu)化降低孔隙率，實現(xiàn)了245 W/(m·K)的熱導率和3.36 ppm/K的CTE，適用于硅芯片電子封裝。

       Liu等創(chuàng)新性地采用多孔SiC泡沫作為骨架，將金剛石顆粒注入其孔隙中形成三維互連導熱網(wǎng)絡(luò)。這種方法降低了所需金剛石含量（26 vol%），成本效益顯著，熱導率達298 W/(m·K)。

       結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用：

       Ansari等針對微處理器不同熱流密度區(qū)域設(shè)計了分區(qū)散熱材料（圖d）：高熱流區(qū)使用金剛石基復合材料，低熱流區(qū)使用硅基材料。如圖g所示，在不同熱點尺寸下，復合微通道（CMC）結(jié)構(gòu)比非復合微通道（NCMC）表現(xiàn)出更優(yōu)的散熱性能，熱點溫度更低，有效降低了電子芯片的溫度不均勻性，為散熱器設(shè)計提供了新思路。

       Li等開發(fā)了金剛石改性連續(xù)碳纖維增強SiC（C-SiC-Diamond）復合材料。金剛石的加入顯著提升了熱性能，熱導率接近純C-SiC復合材料的兩倍，同時保持了約3.3 ppm/K的低CTE。

       金剛石-Si?N?復合材料

       Wu等采用鈦（Ti）涂層金剛石顆粒與Si?N?粉末制備復合材料。在燒結(jié)過程中，金剛石表面的Ti層與基體反應(yīng)形成TiC。同時，Si?N?中的部分氮（N）原子可能擴散進入TiC并部分取代碳（C）原子，形成鈦碳氮化物（圖e）。這種界面結(jié)構(gòu)顯著增強了界面結(jié)合強度和界面熱導。最終復合材料的熱導率達到202 W/(m·K)，比純Si?N?提高了273%。紅外熱成像（圖f）顯示其散熱性能優(yōu)于傳統(tǒng)陶瓷材料。其夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了定向熱傳導特性。此外，Wolfrum等利用SiC涂層金剛石顆粒制備的金剛石-Si?N?復合材料也展現(xiàn)出強界面結(jié)合和優(yōu)異的耐磨性。

       總結(jié)與展望

       金剛石非金屬復合材料通過克服金剛石-金屬體系固有的潤濕性和密度問題，展現(xiàn)出在高性能熱管理（尤其是電子封裝散熱）、電絕緣部件、精密結(jié)構(gòu)件等領(lǐng)域的巨大潛力。研究重點在于優(yōu)化界面工程（如涂層、反應(yīng)控制）、探索新型基體、設(shè)計多級結(jié)構(gòu)（如顆粒級配、泡沫骨架、功能分區(qū)）以及開發(fā)先進制備工藝（如熔滲、光固化結(jié)合反應(yīng)燒結(jié)），以進一步提升其綜合性能（熱導率、力學強度、熱匹配性、復雜結(jié)構(gòu)成型能力）并降低成本。隨著研究的深入，這類先進復合材料有望在下一代高功率密度電子系統(tǒng)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。