Vật liệu tổng hợp kim cương / đồng, phá vỡ giới hạn! ZMSH đang theo kịp thời gian.

Với sự thu nhỏ liên tục, tích hợp và hiệu suất cao của các thiết bị điện tử hiện đại bao gồm máy tính, 5G / 6G, pin,và điện tử công suất, mật độ điện năng ngày càng tăng đã dẫn đến nhiệt độ nóng cao và nhiệt độ cao trong các thiết bị.Điều này dẫn đến suy giảm hiệu suất và thất bại thiết bị. quản lý nhiệt hiệu quả đã trở thành một vấn đề quan trọng trong các sản phẩm điện tử.tích hợp các vật liệu quản lý nhiệt tiên tiến vào các thành phần điện tử có thể cải thiện đáng kể khả năng phân tán nhiệt của chúng.

Kim cương có tính chất nhiệt tuyệt vời, thể hiện độ dẫn nhiệt đồng cực cao nhất (k = 2300 W / mK) trong tất cả các vật liệu thùng,và có hệ số mở rộng nhiệt cực thấp (CTE = 1 ppm / K) ở nhiệt độ phòng. Diamond particle-reinforced copper matrix (diamond/copper) composites have attracted significant attention as a new generation of thermal management materials due to their potential high k values and adjustable CTE.

Tuy nhiên, có sự khác biệt đáng chú ý giữa kim cương và đồng trong nhiều khía cạnh hiệu suất, bao gồm nhưng không giới hạn trong CTE (với sự khác biệt đáng kể theo thứ tự quy mô,như được hiển thị trong hình (a)) và độ tương quan hóa học (chúng không pha trộn và không trải qua phản ứng hóa học, như được minh họa trong hình b).

Những sự không phù hợp này chắc chắn dẫn đến độ bền liên kết thấp của kim cương / đồng tổng hợp trong quá trình sản xuất hoặc tích hợp nhiệt độ cao,cũng như căng thẳng nhiệt cao tại giao diện kim cương / đồngDo đó, kim cương / đồng composites dễ bị nứt giao diện, làm giảm đáng kể tính dẫn nhiệt (khi kim cương và đồng được liên kết trực tiếp,giá trị k của chúng có thể thấp hơn nhiều so với đồng tinh khiết, thậm chí dưới 200 W/mK).

Hiện nay, phương pháp cải tiến chính bao gồm sửa đổi hóa học của giao diện kim cương / kim cương thông qua hợp kim kim hoặc kim cương hóa bề mặt.Lớp chuyển tiếp hình thành tại giao diện có thể tăng cường sức mạnh liên kết giao diện, và một lớp giữa tương đối dày hơn có lợi hơn trong việc chống lại vết nứt giao diện.độ dày của lớp giữa cần phải ở mức hàng trăm nanometer hoặc thậm chí micrometerTuy nhiên, các lớp chuyển tiếp trên giao diện kim cương / đồng, chẳng hạn như carbide (ví dụ: TiC, ZrC, Cr3C2), có độ dẫn nhiệt nội tại thấp hơn (< 25 W / mK),Một số thứ tự nhỏ hơn so với kim cương hoặc đồngTừ quan điểm cải thiện hiệu quả truyền nhiệt giao diện, điều quan trọng là phải giảm tối thiểu độ dày của lớp chuyển tiếp bởi vì, theo mô hình kháng nhiệt,Độ dẫn nhiệt giao diện (G_cu-diamond) tỷ lệ ngược với độ dày giữa lớp (d).

Trong khi một lớp chuyển tiếp tương đối dày giúp cải thiện sức mạnh liên kết giao diện tại giao diện kim cương / kim cương,Kháng nhiệt quá mức của lớp giữa cản trở chuyển nhiệt qua giao diệnDo đó, a significant challenge in integrating diamond and copper is to maintain a high interfacial bonding strength while not excessively introducing interfacial thermal resistance when employing interface modification methods.

Tình trạng hóa học của giao diện xác định sức mạnh liên kết giao diện giữa các vật liệu không đồng nhất.Các liên kết hóa học mạnh hơn đáng kể so với lực van der Waals hoặc liên kết hydroMặt khác,sự không phù hợp của sự mở rộng nhiệt ở cả hai bên của giao diện (nơi T đại diện cho CTE và nhiệt độ) là một yếu tố quan trọng khác ảnh hưởng đến độ bền liên kết của kim cương / đồng compositesNhư được hiển thị trong hình a), có sự khác biệt đáng kể về thứ tự kích thước của hệ số mở rộng nhiệt giữa kim cương và đồng.

Nói chung,sự không phù hợp của sự mở rộng nhiệt luôn là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu suất của nhiều vật liệu tổng hợp vì mật độ trật tự xung quanh chất lấp tăng đáng kể trong quá trình làm mát, đặc biệt là trong vật liệu tổng hợp ma trận kim loại được gia cố bằng chất lấp không kim loại, chẳng hạn như vật liệu tổng hợp AlN/Al, TiB2/Mg, vật liệu tổng hợp SiC/Al, và vật liệu tổng hợp kim cương/bốm được nghiên cứu trong bài báo này.Ngoài ra, nhiệt độ chuẩn bị của kim cương / đồng tổng hợp tương đối cao, thường vượt quá 900 ° C trong các quy trình thông thường.Sự không phù hợp mở rộng nhiệt đáng kể có thể dễ dàng tạo ra căng thẳng nhiệt trong trạng thái kéo tại giao diện kim cương / đồng, dẫn đến sự sụt giảm mạnh trong độ bám sát giao diện và thậm chí thất bại giao diện.

Nói cách khác, trạng thái hóa học của giao diện xác định tiềm năng lý thuyết cho sức mạnh liên kết giao diện,trong khi sự không phù hợp nhiệt quyết định mức độ giảm độ bền liên kết giao diện sau khi chế tạo hợp chất nhiệt độ caoDo đó, sức mạnh liên kết giao diện cuối cùng là kết quả của sự tương tác giữa hai yếu tố này.hầu hết các nghiên cứu hiện tại tập trung vào việc cải thiện sức mạnh liên kết giao diện bằng cách điều chỉnh trạng thái hóa học của giao diện, chẳng hạn như thông qua loại, độ dày và hình thái của lớp chuyển tiếp.Sự giảm cường độ liên kết giao diện do sự không phù hợp nhiệt nghiêm trọng tại giao diện vẫn chưa được chú ý đầy đủ.

Quá trình chuẩn bị, như thể hiện trong hình a, bao gồm ba giai đoạn chính.một độ dày danh nghĩa 70 nm của một lớp phủ titan (Ti) mỏng được lắng đọng trên bề mặt của các hạt kim cương (mô hình: HHD90, kích thước lưới: 60/70, Huanghe Whirlwind Co., Ltd., Henan, Trung Quốc) sử dụng phun magnetron tần số vô tuyến ở 500 °C. Mục tiêu titan tinh khiết cao (sạch: 99.99%) được sử dụng làm nguyên liệu, và khí argon (sạch: 99,995%) đóng vai trò là khí phun. Độ dày của lớp phủ Ti được kiểm soát bằng cách điều chỉnh thời gian lắng đọng.sử dụng kỹ thuật xoay chất nền, cho phép tất cả các bề mặt của các hạt kim cương được tiếp xúc với khí quyển phun,đảm bảo rằng nguyên tố Ti được lắng đọng đồng đều trên tất cả các mặt phẳng của các hạt kim cương (chủ yếu bao gồm hai loại mặt: (001) và (111)).

Thứ hai, trong quá trình trộn ướt, 10% rượu được thêm vào để đảm bảo sự phân bố đồng đều của các hạt kim cương trong ma trận đồng.kích thước hạt: 5?? 20 μm, Zhongnuo Advanced Materials Technology Co., Ltd., Trung Quốc) và các hạt kim cương tinh thể đơn chất lượng cao được sử dụng làm ma trận (55 vol%) và pha tăng cường (45 vol%),tương ứng.

Cuối cùng, rượu được loại bỏ khỏi vật liệu tổng hợp đã được ép trước trong chân không cao 10-4 Pa,và vật liệu tổng hợp đồng kim cương được làm dày đặc bằng các phương pháp luyện kim bột (sink plasma, SPS).

Trong quá trình chuẩn bị SPS, chúng tôi đã sáng tạo đề xuất một kỹ thuật ngâm nhiệt độ thấp áp suất cao (LTHP), kết hợp nó với sửa đổi giao diện mỏng (70 nm).Để giảm sức đề kháng nhiệt do lớp phủ tự tạo ra, một lớp sửa đổi giao diện mỏng (70 nm) được sử dụng. Để so sánh, chúng tôi cũng chuẩn bị các vật liệu tổng hợp bằng cách sử dụng quá trình ngâm nhiệt độ cao áp suất thấp (HTLP) truyền thống.Kỹ thuật sintering HTLP là một phương pháp thông thường được sử dụng rộng rãi trong các công trình trước đây để tích hợp kim cương và đồng vào các vật liệu tổng hợp dày đặcQuá trình HTLP này thường sử dụng nhiệt độ ngâm cao hơn 900 ° C (gần với điểm nóng chảy của đồng) và áp suất ngâm thấp khoảng 50 MPa. Tuy nhiên, trong quy trình LTHP được đề xuất của chúng tôi,nhiệt độ ngâm được thiết lập ở 600°CĐồng thời, bằng cách thay thế khuôn đồ họa truyền thống bằng khuôn hợp kim cứng,áp suất ngâm có thể tăng đáng kể lên 300 MPaThời gian ngâm cho cả hai quy trình là 10 phút. Các chi tiết bổ sung về tối ưu hóa các thông số quy trình LTHP được cung cấp trong các tài liệu bổ sung.Các thông số thử nghiệm cho các quy trình khác nhau (LTHP và HTLP) được hiển thị trong hình (b)..

Kết luận của nghiên cứu trên nhằm vượt qua những thách thức này và làm sáng tỏ các cơ chế để cải thiện tính chất vận chuyển nhiệt của kim cương / đồng tổng hợp:

1. Một chiến lược tích hợp mới đã được phát triển kết hợp sửa đổi giao diện siêu mỏng với quy trình ngưng tụ LTHP.Các kim cương kết quả/bốm kết hợp đạt được một giá trị dẫn nhiệt cao (k) của 763 W/mK, với hệ số mở rộng nhiệt (CTE) dưới 10 ppm/K. Ngoài ra,Một giá trị k cao đã được đạt được ngay cả ở một phần khối lượng kim cương thấp hơn (45% so với 50% -70% điển hình trong các quy trình luyện kim bột thông thường), cho thấy chi phí có thể được giảm đáng kể bằng cách giảm lượng chất lấp kim cương.

2. Thông qua chiến lược được đề xuất, cấu trúc giao diện tinh chế được đặc trưng là cấu trúc lớp kim cương / TiC / CuTi2 / Cu,làm giảm đáng kể độ dày của lớp chuyển tiếp đến khoảng 100 nm, ít hơn nhiều so với vài trăm nanometer hoặc thậm chí micrometer được sử dụng trước đây.sức mạnh liên kết giao diện vẫn được tăng lên mức liên kết hợp chất, với năng lượng liên kết giao diện là 3.661 J/m2.

3. Do bản chất siêu mỏng của nó, lớp chuyển tiếp giao diện kim cương / đồng được chế tạo cẩn thận cho thấy sức đề kháng nhiệt thấp. molecular dynamics (MD) and ab initio simulation results indicate that the diamond/titanium carbide interface has excellent phonon property matching and outstanding thermal transfer capability (G > 800 MW/m²K)Do đó, hai nút thắt truyền nhiệt tiềm năng không còn là yếu tố hạn chế cho giao diện kim cương/thùng đồng.

Sức mạnh liên kết giao diện tăng lên đến mức liên kết covalent. Tuy nhiên, khả năng truyền nhiệt giao diện (G = 93,5 MW / m2K) vẫn không bị ảnh hưởng,đạt được sự cân bằng tuyệt vời giữa hai yếu tố quan trọng nàyCác phân tích cho thấy rằng sự cải thiện đồng thời của hai yếu tố chính này là lý do cho tính dẫn nhiệt vượt trội của kim cương / đồng composites.

 

Giải pháp của ZMSH

Đơn tinh thể Cu nền đồng 5x5x0.5/lmm 10x10x0.5/1mm 20x20x0.5/1mm a=3.607A

Al chất nền tinh thể đơn Độ tinh khiết của chất nền nhôm 99/99% 5×5×1/0.5 mm 10×10×1/0.5 20x20x0.5/1mm