金刚石_铜复合材料热导率研究

金刚石/铜复合材料热导率研究*
刘永正
(北京航空材料研究院先进复合材料国防科技重点实验室,北京100095)
摘 要: 采用放电等离子烧结法制备了金刚石/铜复合材料,并研究了增强体粒径及体积分数对复合材料热导率的影响。

结果表明复合材料的热导率随粒径的增大而略有增加,当体积分数10%时热导率最高。

X 射线衍射谱图显示制备过程中金刚石未发生石墨化。

关键词: 金刚石/铜;复合材料;热导率
中图分类号: TB331文献标识码:A 文章编号:1001 9731(2009)增刊 0323 03
1 引 言
随着电子技术的不断发展,电子元器件集成化程度越来越高,发热量也越来越大,微处理器及功率半导体器件在应用过程中常常因为温度过高而无法正常工作。

散热问题是电子信息产业发展面临的主要技术瓶颈之一[1,2]。

金刚石的室温热导率为600~2200W/(m K),热膨胀系数0.810-6/K[3]。

目前人工合成金刚石技术已十分成熟,生产成本大幅下降,使人造金刚石在复合材料中的大规模应用成为可能。

如何发挥金刚石的高导热性质来制备各种复合材料,是各国科学家广泛关注的问题[4~7]。

在金属材料中,铜具有良好的热导率,但其热膨胀系数过大,因此可以考虑以铜为基体,金刚石颗粒为增强体制备金刚石/铜复合材料。

本文采用放电等离子烧结法制备了金刚石/铜复合材料,主要研究了金刚石的粒径及体积分数对复合材料热导率的影响。

2 实 验
实验用原料为电解铜粉(纯度99.7%),人造金刚石为颗粒形状不规则的普通研磨级单晶金刚石(粒径分别为20~30、40~60、60~80 m)。

将金刚石颗粒与铜粉按金刚石所占体积分数分别为5%、10%、20%、40%、60%进行配料,然后在混料机中进行混料。

将混合后的粉末装入直径 20m m的石墨模具中,在SPS 1050T放电等离子烧结炉中真空加压烧结,压力20M Pa,烧结温度900!,到温后保温5min,随炉冷却至200!后取出。

采用线切割的方法加工 10m m3m m的圆片,采用Archim edes排水法测量复合材料的密度,用LFA447激光导热性能测试仪测定材料的热扩散系数和比热,并计算出材料的热导率;采用JSM 5600LV型扫描电子显微镜观察复合材料的微观形貌;采用D8 Adv ance X射线衍射仪对复合材料进行物相分析。

3 结果与讨论
3.1 粒径对复合材料热导率的影响
表1为采用放电等离子烧结法制备的40%(体积分数)的金刚石/铜复合材料的热导率对比数据。

一般来说,金刚石的粒度越细,缺陷越少,导热性能也越好;但另一方面粒度越细,比表面积越大,复合材料中增强体与基体的结合界面越多,界面处的热损耗也越多。

在金刚石/铜复合材料体系中,粒径大小带来的界面的影响要大于颗粒本身缺陷的影响,因此复合材料的热导率随着金刚石粒径的增大而略有增加。

表1 不同粒径的金刚石/铜复合材料性能Table1T he properties of diamond/copper composites w ith different sizes of diamo nd particles
样品粒径( m)热导率(W/(m K))
1#20~30248
2#40~60251
3#60~80256
3.2 金刚石含量对复合材料热导率的影响
对于颗粒增强金属基复合材料的热导率是可以根据基体和颗粒材料的热导率以及颗粒在基体中的含量来进行计算的。

比较重要的有Brugg em an理论模型、Lew is和Nielsen半经验模型、M ax w ell理论模型等[8],这些模型的建立基础是:圆球形增强体颗粒在基体中均匀分布,颗粒与基体界面忽略不计。

H assel man和Johnson在M axw ell理论的基础上考虑了颗粒对热导率的影响,将单一颗粒体积分数的函数转变为与增强体颗粒体积分数、尺寸大小的函数,并引入了界面热阻的概念,具体方程式如下[9]:
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刘永正:金刚石/铜复合材料热导率研究
*基金项目:国防科技重点实验室基金资助项目(9140C4403080705)
收到稿件日期:2009 05 15 通讯作者:刘永正
作者简介:刘永正 (1980∀),男,黑龙江齐齐哈尔人,工程师,主要从事新型复合材料研究。

c = m
2
d m -1- d a h V d + d m +2 d
a h +2
1- d m + d a h
V d + d m +2 d
a h +2(1)
其中 c , m , d 分别为复合材料、基体、增强体颗粒的热导率,V d 是增强体颗粒所占的体积分数,a 为颗粒
增强体的颗粒半径,h 为界面导热系数。

当h =#,等式(1)变为:
c = m
2
d d m -1V d + d
m
+21- d m V d + d m
+2(2)
由公式(2)可知,在不考虑界面热阻的情况下复合材料的热导率随着金刚石体积分数的增加而增大,但实际上复合材料的界面是不可能达到理想状态的,随着金刚石体积分数的增加,界面相应增多,这对复合材料热导率的影响是不利的。

由表2可知,金刚石体积分数10%时复合材料的热导率最高。

当体积分数<10%时,体份增加带来的正效应大于界面增加所导致的负效应,复合材料的热导率随着体积分数的增加而增加;当体积分数>10%时,体份增加带来的正效应小于界面增加带来的负效应,此时复合材料的热导率随着体积分数的增加而减小。

表2 不同体积分数的金刚石/铜复合材料性能Table 2T he pr operties of diam ond/copper co mpo sites
w ith different v olume fractions of diamond
样品金刚石含量(%体积分数)
热导率(W/(m K ))
1
#
5
3122#103343#202814#402565#
60
68
3.3 微观分析
图1、2分别为40%、60%(体积分数)的金刚石/铜复合材料的SEM 图。

图1 40%(体积分数)金刚石/铜复合材料的SEM 照
片
Fig 1SEM microg raph of the 40vo l%diamond/cop
per composites
从图1、2可知,40%(体积分数)时,金刚石颗粒较均匀地分布于基体之间,金刚石与铜结合较紧密;而60%(体积分数)时,可以明显地看到材料中存在大量
空隙,空隙的大量存在导致了复合材料热导率的显著
下降,此时热导率仅为68W/(m K)。

图2 60%(体积分数)金刚石/铜复合材料的SEM 照
片
Fig 2SEM m icrog raph of the 60v ol%diamond/cop
per composites
金刚石高温下容易自发转化为石墨,可使复合材料的导热性能受到严重影响。

图3为金刚石/铜复合材料的X 射线衍射谱图,图中5个峰分别对应Cu (111)、金刚石(111)、Cu(200)、Cu(220)、金刚石(220)的衍射特征,证明烧结过程中金刚石没有发生石墨化。

图3 金刚石/铜复合材料的X 射线衍射谱图Fig 3XRD patter n of diamo nd/copper composites
4 结 论
(1) 放电等离子烧结制备过程中没有发生金刚石的石墨化反应。

(2) 复合材料的热导率随着增强体颗粒的增大而略有增加。

(3) 10%(体积分数)时复合材料导热性能最好。

(4) 放电等离子烧结工艺法无法获得致密的高体积分数金刚石/铜复合材料。

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2009年增刊(40)卷
参考文献:
[1] 童震松,沈卓身.[J].电子与封装,2005,5(3):6 14.[2] 黄 强,顾明元.[J].电子与封装,2003,3(2):22 25.[3] F ield J E.T he Pro per ties of N atural and Synthetic Dia
mond[M ].L ondon:Academic Pr ess,1992.681.
[4] Johnson W B,Sonupar lak B.[J].Journal o f M at er ials Re
search,1993,8(5):1169 1173.
[5] H anada K ,M atsuzaki K ,Sano T.[J].Jo unal of M aterials
P rocessing T echno lo gy ,2004,153 154:514 518.
[6] Beffo rt O,K halid F A,W eber L ,et al.Interface forma
tio n in infiltrat ed [J].Diamond and Related M ater ials,2006,(15):1250 1260.
[7] Bollina R,Knippscheer S.[J].Electro nics Coo ling ,2008,
(14):18 24.
[8] Pr og elhof R C,T hro ne J L ,Ruetsch R R.[J].Po ly mer
Eng ineering and Science,1976,16(9):615 625.
[9] H asselman D P H ,Johnso n L F.[J].Journal o f Co mpo s
ite M ater ials,1987,21:508 515.
Study on thermal conductivity of diamond/copper composites
LIU Yong zheng
(Beijing Institute of Aeronautical M aterials,National Key Labor atory o f Advanced Composites,
Beijing 100095,China)
Abstract:Diamo nd/co pper composites w ere prepared by the spark plasma sintering metho d.The effects o f par ticle size and volume fr actio n of diamo nd on their thermal conductivity are investigated.The r esults show that the therm al co nductiv ity incr eases slig htly w ith increasing particle size of diam ond,and the best v olum e fraction is 10%.X ray diffraction show that the diamond is not graphitized in the process.Key words:diamond/copper;composites;thermal conductivity
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刘永正:金刚石/铜复合材料热导率研究。