隨著信息技術(shù)的發(fā)展、5G時(shí)代的來(lái)臨，萬(wàn)物互聯(lián)的步伐在不斷加快，電子產(chǎn)品正逐步向智能化、多功能、輕薄化等方向發(fā)展。

在電子產(chǎn)品性能日益強(qiáng)大的過(guò)程中，集成電路芯片和電子元器件體積卻不斷縮小，高密度集成組裝技術(shù)的不斷提高導(dǎo)致功耗和發(fā)熱量急劇增加，散熱問(wèn)題已經(jīng)成為制約相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。熱管理材料中，金剛石/金屬基復(fù)合材料憑借其優(yōu)異的導(dǎo)熱系數(shù)和較低的熱膨脹系數(shù)而受到廣泛關(guān)注。

       目前國(guó)內(nèi)外主要研究思路是增加金剛石顆粒含量和改善金剛石顆粒/金屬的復(fù)合界面，均取得了較好的效果。然而，此種復(fù)合結(jié)構(gòu)中的金剛石顆粒（熱導(dǎo)率~2200W/mK）猶如一座座由金屬（Al~237W/mK、Cu~398W/mK）連接的導(dǎo)熱孤島，既增加了兩相界面數(shù)量，又難產(chǎn)生協(xié)同作用，使金剛石優(yōu)異的導(dǎo)熱性能難以充分發(fā)揮。

       中南大學(xué)金剛石團(tuán)隊(duì)一直致力于在復(fù)合材料中構(gòu)建連續(xù)的金剛石網(wǎng)絡(luò)骨架，變高導(dǎo)熱孤島為高導(dǎo)熱通道。具體研究思路為：以泡沫金屬為襯底，利用化學(xué)氣相沉積技術(shù)制備高質(zhì)量三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)金剛石骨架，再利用氣體壓力熔滲技術(shù)與金屬?gòu)?fù)合，使金剛石與金屬形成網(wǎng)絡(luò)互穿結(jié)構(gòu)，研究其宏微觀結(jié)構(gòu)及界面對(duì)復(fù)合材料導(dǎo)熱性能的作用機(jī)理，揭示金剛石形成連續(xù)導(dǎo)熱通道對(duì)其在復(fù)合材料中發(fā)揮導(dǎo)熱效率的影響機(jī)理，為高導(dǎo)熱金剛石/金屬基復(fù)合材料的設(shè)計(jì)與制備提供理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

       近年來(lái)，中南大學(xué)金剛石團(tuán)隊(duì)致力于通過(guò)優(yōu)化化學(xué)氣相沉積過(guò)程中的溫度場(chǎng)和氣氛?qǐng)龀晒χ苽涓哔|(zhì)量三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)金剛石，并圍繞其在先進(jìn)熱管理材料、有機(jī)廢水處理和生物傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)展了系列研究，先后在Applied Catalysis B: Environmental 245 (2019) 420-427、Applied Energy 233-234 (2019) 208-219 (ESI高被引論文)、Materials & Design 156 (2018) 32-41等國(guó)際期刊上發(fā)表了相關(guān)研究進(jìn)展。

       “新型高導(dǎo)熱復(fù)合相變材料——全球高性能電子溫控的領(lǐng)航者”在第五屆中國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽中獲得“金獎(jiǎng)”，高教主賽道創(chuàng)意組中得分全國(guó)排名第一（本次大賽由教育部、發(fā)改委、工信部等12個(gè)中央部委單位和浙江省人民政府共同主辦，共有來(lái)自全球五大洲124個(gè)國(guó)家和地區(qū)的457萬(wàn)名大學(xué)生、109萬(wàn)個(gè)團(tuán)隊(duì)報(bào)名參賽，參賽項(xiàng)目和學(xué)生數(shù)接近前四屆大賽的總和）。

       中南大學(xué)金剛石團(tuán)隊(duì)近期通過(guò)氣體壓力熔滲技術(shù)將三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)金剛石與金屬鋁復(fù)合，在鋁基體中構(gòu)建了三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)金剛石快速導(dǎo)熱通道。復(fù)合材料在金剛石體積分?jǐn)?shù)僅為4.6 vol.%的情況下，加熱和冷卻過(guò)程中的熱傳導(dǎo)速率明顯強(qiáng)于純鋁和純銅。復(fù)合材料熱導(dǎo)率為315.7 W/mK，相比較純鋁提升了54%，而單位體積分?jǐn)?shù)金剛石增強(qiáng)體對(duì)復(fù)合材料熱導(dǎo)率的提升貢獻(xiàn)值(導(dǎo)熱效率)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)顆粒構(gòu)型金剛石增強(qiáng)的鋁基復(fù)合材料。

       研究成果以“Construction of 3D interconnected diamond networks in Al-matrix composite for high-efficiency thermal management”為題，發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊Chemical Engineering Journal 380 (2020) 122551。中南大學(xué)2016級(jí)博士研究生張龍為第一作者，魏秋平副教授、馬莉副研究員和周科朝教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金和粉末冶金國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主課題的資助。

金剛石除了作為鉆石具有寶貴的美學(xué)價(jià)值外，還具有一系列優(yōu)異的物理化學(xué)性能，其中包括最高的硬度、彈性模量，極高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)、熱導(dǎo)率、載流子遷移率，極低的線膨脹系數(shù)、摩擦系數(shù)，很寬的禁帶、光學(xué)透過(guò)率，非常好的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性，純凈的金剛石為良好的絕緣體，摻雜后可成為良好的半導(dǎo)體甚至可能成為超導(dǎo)體等，這些優(yōu)異性能的集成使得金剛石成為自然界中最具有科技和藝術(shù)價(jià)值的固體。

化學(xué)氣相沉積法（CVD）合成金剛石在最近40年取得了巨大的突破，使CVD金剛石在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化、產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；蔀榭赡?，與此同時(shí)，全世界的工程師和設(shè)計(jì)者都在積極探索和挖掘CVD金剛石的潛在應(yīng)用價(jià)值，并且已經(jīng)在醫(yī)學(xué)診斷、電化學(xué)傳感、水處理、放射線探測(cè)、高功率器件、聲學(xué)器件、磁力測(cè)定和新型激光器等眾多領(lǐng)域取得了較好的進(jìn)展。

中南大學(xué)金剛石團(tuán)隊(duì)在三維連續(xù)網(wǎng)絡(luò)金剛石方面的研究工作將為金剛石在電子封裝熱管理、電化學(xué)氧化、電化學(xué)合成和電化學(xué)分析等領(lǐng)域的應(yīng)用提供新的思路。

論文鏈接：http://libdb.csu.edu.cn/rwt/SCI/https/P75YPLUUMNVXK5UDMWTGT6UFMN4C6Z5QNF/science/article/pii/S1385894719319540?via%3Dihub