作者：Chih-Yu Chung, Mu-Tse Lee, Min-Yen Tsai, Chao-Hung Chu, Su-Jien Lin
       摘要：利用傳統(tǒng)粉末冶金法制備的金剛石/Cu復(fù)合材料的熱導(dǎo)率比較低，這是由金剛石和銅胎體之間的可濕性較差所致。本研究則提出了一種簡單可行成本較低的金剛石-金屬復(fù)合材料的制備方法。本文利用不同粒度和體積分?jǐn)?shù)的金剛石在1373K下無壓燒結(jié)30分鐘從而制備出金剛石/Cu-Ti復(fù)合材料并對其熱性能進(jìn)行研究。本實(shí)驗(yàn)制備出的復(fù)合材料的熱導(dǎo)率高達(dá)608W/m K，雙峰金剛石/Cu-2 at.% Ti復(fù)合材料，有50 vol%的粒度為300 μm、10 vol%的粒度為150 μm的金剛石顆粒組成。實(shí)驗(yàn)得到5.4×10-6 1/K熱膨脹系數(shù)，該值和Hasselman-Johnson模型（結(jié)合擴(kuò)散錯(cuò)配模型）計(jì)算出的熱導(dǎo)率值匹配度高達(dá)92%。該模型計(jì)算出的預(yù)測值和實(shí)驗(yàn)測量值一致性較好。此外，無壓燒結(jié)的工藝要求簡單，設(shè)備成本低廉，使得金屬胎體復(fù)合材料的制備經(jīng)濟(jì)可行。
關(guān)鍵詞：無壓燒結(jié),熱膨脹系數(shù),熱導(dǎo)率,金剛石/Cu界面,金屬胎體復(fù)合材料
1、引言
       隨著設(shè)備功率的增大和集成度的提高，微電子熱管理技術(shù)越來越重要，而高熱導(dǎo)率材料的研發(fā)則迎合了這種技術(shù)需求。Zweben和Katsuhito等人對傳統(tǒng)散熱材料的熱導(dǎo)率（200 W/m K以上）和熱膨脹系數(shù)（4-6×10-6 1/K）進(jìn)行了研究。
       金剛石的熱性能好，化學(xué)、機(jī)械穩(wěn)定高，是優(yōu)良的散熱材料。天然金剛石雖然擁有最大的熱導(dǎo)率（2000W/m K），但由于天然金剛石的成本高昂而不適宜工業(yè)制備用。人造金剛石的制備成本低，熱導(dǎo)率高達(dá)1200-2000W/m K，適宜用于熱管理設(shè)備材料的制備。
       金剛石在熱管理方面的應(yīng)用已經(jīng)在CVD涂層領(lǐng)域得以實(shí)現(xiàn)。但由于鍍附在襯底上的金剛石薄膜太薄而不足以有效散熱，制備大尺寸的金剛石材質(zhì)又存在一定的技術(shù)困難。既能利用金剛石的熱性能又要制備出足夠大小的材料，這就需要金剛石技術(shù)結(jié)合某些高熱導(dǎo)率的金屬材料，如銀、銅或鋁。一些研究利用高壓技術(shù)來制備出了高熱導(dǎo)金剛石/金屬復(fù)合材料，但需要用到昂貴復(fù)雜的設(shè)備，如熱壓、氣壓浸滲、放電等離子體燒結(jié)等。本論文利用無壓燒結(jié)工藝制備金剛石/Cu復(fù)合材料，并采用鈦?zhàn)鳛樘砑觿┮愿纳平饎偸?Cu界面的可濕性。這是一種可以實(shí)現(xiàn)量化生產(chǎn)的低成本工藝。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明無壓燒結(jié)工藝適宜制備金剛石/Cu-Ti復(fù)合材料。
2、實(shí)驗(yàn)
       胎體材料為銅粉和鈦粉。銅粉粒度5μm，純度99.9wt.%；鈦粉粒度35μm，純度99.9wt.%。金剛石粉末做增強(qiáng)材料，粒度150μm、300μm，熱導(dǎo)率1800 W/m K。
       將銅粉、金剛石粉和鈦粉混合，在700MPa壓力下將混合粉末壓制成高3mm，直徑12.9mm的復(fù)合材料，時(shí)間為10分鐘。然后將其放入充入氫氣（100sccm）的真空爐（1.8torr）中30分鐘，溫度1373K。
       利用掃描電鏡（SEM, JEOL-5410）和X射線衍射儀（XRD,Rigaku_D/DMAXIIB）對復(fù)合材料的微觀圖和元素組分進(jìn)行分析。利用阿基米德原理求得材料的密度；通過對比理論密度和實(shí)驗(yàn)測量密度求得復(fù)合材料的相對密度。復(fù)合材料的理論密度為金剛石/Cu-Ti三種粉末的理論密度的平均值，如表一所示。利用激光閃射測試儀（LFA, Netzsch-LFA 447）測得熱導(dǎo)率。利用升溫速率為3K/min的熱分析儀（TMA, Seiko-SSC5200）測得熱膨脹系數(shù)。利用聚焦離子束（FIB, FEI-Nova 200）技術(shù)用于制備透射電子顯微鏡（TEM, JEOL-JEM3000F）試樣。對試樣進(jìn)行TEM觀察，以研究分析金剛石/Cu界面......