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復合材料的熱導率比較低，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-金屬復合材料的制備方法。本文利用不同粒度和體積分數的金剛石在1373K下無壓燒結30分鐘從而制備出金剛石/Cu-Ti復合材料并對其熱性能進行研究。本實驗制備出的復合材料的熱導率高達608W/m K，雙峰金剛石/Cu-2 at.% Ti復合材料，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。實驗得到5.4×10-6 1/K熱膨脹系數，該值和Hasselman-Johnson模型（結合擴散錯配模型）計算出的熱導率值匹配度高達92%。該模型計算出的預測值和實驗測量值一致性較好。此外，無壓燒結的工藝要求簡單，設備成本低廉，使得金屬胎體復合材料的制備經濟可行。
關鍵詞：無壓燒結,熱膨脹系數,熱導率,金剛石/Cu界面,金屬胎體復合材料
1、引言
       隨著設備功率的增大和集成度的提高，微電子熱管理技術越來越重要，而高熱導率材料的研發(fā)則迎合了這種技術需求。Zweben和Katsuhito等人對傳統(tǒng)散熱材料的熱導率（200 W/m K以上）和熱膨脹系數（4-6×10-6 1/K）進行了研究。
       金剛石的熱性能好，化學、機械穩(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，熱導率高達1200-2000W/m K，適宜用于熱管理設備材料的制備。
       金剛石在熱管理方面的應用已經在CVD涂層領域得以實現。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又存在一定的技術困難。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結合某些高熱導率的金屬材料，如銀、銅或鋁。一些研究利用高壓技術來制備出了高熱導金剛石/金屬復合材料，但需要用到昂貴復雜的設備，如熱壓、氣壓浸滲、放電等離子體燒結等。本論文利用無壓燒結工藝制備金剛石/Cu復合材料，并采用鈦作為添加劑以改善金剛石/Cu界面的可濕性。這是一種可以實現量化生產的低成本工藝。實驗結果證明無壓燒結工藝適宜制備金剛石/Cu-Ti復合材料。
2、實驗
       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.%。金剛石粉末做增強材料，粒度150μm、300μm，熱導率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的復合材料，時間為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）對復合材料的微觀圖和元素組分進行分析。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驗測量密度求得復合材料的相對密度。復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。利用聚焦離子束（FIB, FEI-Nova 200）技術用于制備透射電子顯微鏡（TEM, JEOL-JEM3000F）試樣。對試樣進行TEM觀察，以研究分析金剛石/Cu界面......