近幾十年來(lái)，電子工業(yè)的發(fā)展推動(dòng)了電子元件的集成和小型化，高性能電子器件的快速發(fā)展使得高效散熱成為關(guān)鍵問(wèn)題。金剛石復(fù)合材料作為下一代散熱器和電子包裝材料的候選，備受關(guān)注。為提高其熱導(dǎo)率，已嘗試多種方法，包括使用高導(dǎo)電性金屬基體或大型金剛石顆粒、增加金剛石含量、設(shè)計(jì)基體/金剛石界面以降低界面熱阻等。然而，金剛石與基材界面的聲子散射限制了熱導(dǎo)率的有效增強(qiáng)，分散的金剛石顆粒難以形成有效的熱輸運(yùn)通道，導(dǎo)致復(fù)合材料熱導(dǎo)率遠(yuǎn)低于預(yù)期。因此，在較低金剛石載荷下開(kāi)發(fā)新方法來(lái)獲得滿意熱導(dǎo)率具有重要意義。

       研究進(jìn)展

       相比于其他無(wú)機(jī)非金屬導(dǎo)熱復(fù)合材料（如氮化硼、氮化鋁、氧化鋁、碳化硅等），金剛石導(dǎo)熱復(fù)合材料在導(dǎo)熱性能上表現(xiàn)最優(yōu)，碳化硅和氮化硼次之，而氧化鋁和氮化鋁相對(duì)較低。在力學(xué)性能上，金剛石硬度最高但脆性大；氮化硼和碳化硅硬度高且具韌性；氧化鋁和氮化鋁則較差。從化學(xué)穩(wěn)定性來(lái)看，無(wú)機(jī)非金屬材料普遍穩(wěn)定，金剛石尤為突出。下文將著重介紹金剛石導(dǎo)熱復(fù)合材料的主要制備成型方式、導(dǎo)熱機(jī)理等。

       1、共混法

       原理：在制備復(fù)合材料中，通過(guò)簡(jiǎn)單的填料共混就可以直接實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料中高效的導(dǎo)熱網(wǎng)絡(luò)，但往往需要較大含量的填料才能實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的高導(dǎo)熱性能。

       進(jìn)展：（1）Zhao等將納米金剛石（ND）顆粒通過(guò)化學(xué)反應(yīng)被包裹在碳納米管的表面。再將有ND涂層的碳納米管（CNT-ND）和環(huán)氧樹(shù)脂進(jìn)行共混分散。結(jié)果表明，涂層NDs降低了碳納米管的表面能，這使得CNT-NDs在環(huán)氧基體中得到了良好分散。CNT-ND的摻入對(duì)復(fù)合材料的導(dǎo)電率的影響較小，但卻提高了復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

       （2）Zeng等采用重復(fù)壓縮的方法，將金剛石、碳纖維以及液態(tài)金屬鎵制備成復(fù)合材料。在重復(fù)壓縮過(guò)程中，液態(tài)金屬會(huì)產(chǎn)生新的氧化皮，氧化物附著在金剛石上從而被鎵潤(rùn)濕，制備過(guò)程圖如上圖所示。結(jié)果表明，隨著碳纖維含量的增加，鎵/金剛石/碳纖維復(fù)合材料的熱導(dǎo)率先增加后降低。

挑戰(zhàn)：共混法制備金剛石導(dǎo)熱復(fù)合材料最主要需要克服就是接觸熱阻，優(yōu)化接觸熱阻可以有效的提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能。

       2、構(gòu)筑模板法

       原理：利用預(yù)制模板分散導(dǎo)熱填料，去除模板后形成取向結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱填料，可在低填充體積下實(shí)現(xiàn)高導(dǎo)熱性。

       進(jìn)展：（1）Du等通過(guò)對(duì)氮化硼（BN）蜂窩內(nèi)的金剛石進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，得到了1個(gè)類似豆莢狀的三維互聯(lián)熱滲透網(wǎng)絡(luò)。采用冰模板法制備了BN蜂窩，接著將環(huán)氧樹(shù)脂和金剛石同時(shí)通過(guò)真空滲透加入到BN模板中。測(cè)試結(jié)果顯示，當(dāng)BN含量為7%，金剛石含量為12%時(shí)，復(fù)合材料的導(dǎo)熱率高達(dá)2.720W/mK，分別是純環(huán)氧樹(shù)脂和隨機(jī)混合樣品的12.5倍和5.8倍，制備過(guò)程下圖所示。

       （2）Liu等采用碳化硅泡沫為模板，搭配液態(tài)硅滲入制備了以金剛石為三維連接金剛石/SiC復(fù)合材料。研究結(jié)果表明，當(dāng)金剛石填充含量為26%時(shí)，三維結(jié)構(gòu)的金剛石/SiC復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可達(dá)到298W/mK。

       優(yōu)勢(shì)：適用于多種基體材料，可確保金剛石均勻分布，優(yōu)化導(dǎo)熱路徑，降低界面熱阻。

       3、電沉積技術(shù)

       原理：電沉積技術(shù)是一種基于電化學(xué)原理的制備方法，可以通過(guò)在試樣表面均勻沉積材料，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的精確控制。

       進(jìn)展：（1）Cho等采用電沉積技術(shù)制備得到了碳化鈦包裹金剛石/銅復(fù)合材料，制備過(guò)程如下圖所示。測(cè)試結(jié)果顯示，在68.2%金剛石時(shí)，觀察到的最大熱導(dǎo)率為454W/mK。為了進(jìn)一步提高導(dǎo)熱率，在金剛石顆粒上進(jìn)行了碳化鈦涂層。在電沉積銅基體中嵌入TiC涂層金剛石顆粒，在34.7%時(shí)的熱導(dǎo)率提高到557W/mK，比純銅的400W/mK高出40%。

       （2）Hagio等采用電沉積方法在金剛石表面沉積碳化硅涂層并制備得到了金剛石/銅復(fù)合材料。試驗(yàn)結(jié)果表明，沉積2.72 %碳化硅涂層包裹納米金剛石/銅復(fù)合材料的熱導(dǎo)率比純銅鍍層高46 W/mK。微觀下，金剛石與銅基體之間會(huì)出現(xiàn)明顯的間隙，而沉積碳化硅包裹的金剛石和銅基體則不會(huì)出現(xiàn)間隙。

       適用范圍：常適用于金屬基材，可協(xié)同沉積金剛石和其他金屬離子起到保護(hù)作用。

       4、燒結(jié)技術(shù)

       原理：燒結(jié)技術(shù)是一種通過(guò)高溫處理原材料，使其顆粒相互結(jié)合形成致密塊狀材料的過(guò)程。

       進(jìn)展：（1）Wu等利用燒結(jié)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一種以氮化硅（氮化硅）為襯底和金剛石顆粒作為增強(qiáng)相的新型復(fù)合材料， 以提高導(dǎo)熱性和力學(xué)性能，具體制備過(guò)程如下圖所示。測(cè)試結(jié)果表明，在金剛石含量為50%時(shí)，最大熱導(dǎo)率為 201.96 W/mK，比氮化硅陶瓷高272.87%。此外，與一些當(dāng)代基材相比，該復(fù)合材料具有更好的硬度 （32.84GPa）和較低的CTE（3.07×10-6 K-1）。

       （2）Jhong等采用無(wú)壓燒結(jié)法制備了金剛石/銀-鈦復(fù)合材料，少量的Ti有效地改善了金剛石和銀基體之間的潤(rùn)濕性。當(dāng)填充60%金剛石（300μm/銀和1.5%鈦時(shí)，復(fù)合材料的熱導(dǎo)率可達(dá)953W/mK。

       挑戰(zhàn)：通常需要高溫，可能導(dǎo)致材料氧化、相變或不穩(wěn)定，且確保金剛石均勻分散具有挑戰(zhàn)性。

       5、測(cè)控濺射技術(shù)

       原理：磁控濺射技術(shù)是利用磁場(chǎng)和電場(chǎng)來(lái)操控靶材表面的離子化過(guò)程，產(chǎn)生等離子體并將靶材原子沉積到材料表面上。

       進(jìn)展：（1）Liu等采用磁控濺射法將Cu/Cr雙層膜沉積在單晶金剛石襯底上，形成Cu/Cr/金剛石夾層結(jié)構(gòu)，具體示意流程如下圖所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與未改性的Cu/金剛石結(jié)構(gòu)相比，Cr層增加了Cu和金剛石之間的界面熱阻值。隨著Cr3C2層厚度的增加，界面熱阻值下降到86MW/（m2·K）。

       （2）Yang等采用磁控濺射法在金剛石顆粒上制備了厚度范圍為35~130 nm的鎢涂層，然后采用真空入滲法制備了金剛石/鋁復(fù)合材料。制備的鎢涂層在金剛石顆粒的各個(gè)方面都光滑致密。此外，鎢涂層的存在抑制了界面脫鍵現(xiàn)象，改善了金剛石顆粒與鋁基體之間的界面結(jié)合。當(dāng)鎢涂層為45nm時(shí)，金剛石/鋁復(fù)合材料達(dá)到了最大的熱導(dǎo)率（622W/mK）。

       優(yōu)勢(shì)：磁控濺射技術(shù)允許精確控制薄膜的厚度和均勻性；磁控濺射產(chǎn)生的薄膜通常具有較高的結(jié)晶質(zhì)量和致密性，這有助于提高導(dǎo)熱性能；磁控濺射技術(shù)可以應(yīng)用于復(fù)雜的基底結(jié)構(gòu)，包括三維結(jié)構(gòu)和微納米結(jié)構(gòu)。

       6、化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）

       原理：CVD是一種通過(guò)氣相反應(yīng)在固體表面沉積薄膜或涂層的方法。CVD過(guò)程的參數(shù)可以精確控制，包括反應(yīng)氣體組成、壓力、溫度等。這使得制備金剛石導(dǎo)熱復(fù)合材料的工藝條件可以根據(jù)需求進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)更好的性能。

       進(jìn)展：（1）Jiao等首先通過(guò)CVD技術(shù)在泡沫骨架表面沉積連續(xù)的金剛石薄膜層，然后以鎳顆粒為催化劑，在金剛石薄膜上垂直生長(zhǎng)碳納米管。碳納米管延伸到泡沫骨架內(nèi)部的孔內(nèi)，作為次級(jí)傳熱途徑，制備過(guò)程如下圖所示。結(jié)果表明，石蠟/金剛石泡沫/碳納米管復(fù)合材料（PWs/DF-CNT）具有5.3 W/mK，是石蠟基體的19.6倍；PWs/DF-CNT的潛熱為83.37 J/g。

       （2） Ye等提出了一種由熱燈絲化學(xué)氣相沉積（HFCVD）制備的宏觀多孔結(jié)構(gòu)金剛石泡沫的熱管理方法。結(jié)果表明，當(dāng)填充1.2%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）金剛石時(shí)，環(huán)氧/DF復(fù)合材料的熱導(dǎo)率從0.23W/mK（純環(huán)氧樹(shù)脂）提高到2.28W/mK。

       特點(diǎn)：利用CVD可以直接在基體上沉積金剛石，從而提高基體的熱管理性能，但若要大幅度提高復(fù)合材料的導(dǎo)熱性能，可以結(jié)合模板法、3D打印、靜電紡絲等來(lái)構(gòu)筑金剛石增強(qiáng)三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 

   不同方法對(duì)比小結(jié)