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金刚石导热性那么好,该怎么用?
2020年09月24日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:295
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金刚石被誉为是世界上最硬的物质,拥有十分特殊,非比寻常的物理、机械和光学特性。但别忘记,它同时还拥有极为出色的导热性能。不同于金属依靠外围电子进行传热,金刚石依靠的是声子(phonon)——当物质的成分越单纯、结构越简单、杂质越少时,声子运动就越快,传热速率也就越快。

备注:钻石的组成只有单一元素碳,结构也十分简单。IaIbIIa IIb 4 种钻石中,IIa 最纯净、杂质最少,因此拥有最高的传热速率,导热系数高达 26 watt/K-cm,比传热最快的金属银、铜还要快 67 倍。

金刚石导热

以前在珠宝店购买钻石饰品时,顾客如果担忧钻石的真假,有部分老板会让顾客用舌尖舔一下,并告知“如果感觉舌尖凉凉的,就是真钻;如果暖暖的,就只是玻璃”。这个过程其实就是用舌尖当做探针,在宝石上做一次导热系数的比较实验。因为玻璃的导热系数很小,只有0.008 watt/K-cm,而真钻的传热速率高达玻璃的千倍以上,因此感觉灵敏的舌尖的确很容易分辨两者的差异。

除此之外,金刚石还具有高电阻率和高击穿场强、低介电常数、低热膨胀等特点,因此被科学家认为是一种能够满足飞速发展的电子工业对热管理的超高要求的理想热管理材料(包括热沉材料、封装材料,基体材料等)。但再好的才能也要发挥出来才有意义,具体金刚石该如何使用的,下面便来一起看看。

一、金刚石在导热领域的应用

目前,金刚石在热管理材料上的应用主要有两种形式,即金刚石薄膜和将金刚石与铜、铝等金属复合制成复合材料

虽然金刚石薄膜在热导率上较其它材料优势明显,但由于金刚石薄膜的低热膨胀,难与金属润湿、焊接等特点,导致金刚石薄膜与其它器件和焊料的组装及应用过程中受到了很大限制。而将金刚石与铜、铝等金属复合,就可通过调节金刚石体积分数实现高热导和可调热膨胀,满足系统散热和组装工艺的要求,因此“复合”成为了金刚石在热管理材料上的主要应用形式。

金刚石导热

热管理材料的热物理性能

虽然与金属复合的材料有不止一种的选择,但它们要不就是热膨胀不匹配,要不就是热导率很低,都不太能满足散热要求的发展。借此优势,金刚石成为国内外热管理材料中的新宠,被誉为第三代热管理材料。上图是由Zw eben总结的关于常用热管理材料热物理性能(包括热导率和热膨胀系数)的统计图表,感兴趣的可以对比看看。

二、影响金刚石-金属复合材料热导率的因素

金刚石-金属复合材料热导率不仅与基体和增强相的热导率、增强相体积分数、颗粒大小及分布状态等宏观因素有关,还与界面结合状态、晶体缺陷等微观因素有关。

1.基体性质

常用基体通常有铜、铝、银等,热导率较高,但热膨胀系数远远大于SiGaAs等材料。金属热导率与其纯度有关,高纯铜热导率较工业纯铜高很多。添加合金元素对改善金属和金刚石界面粘结有作用。

金刚石导热

SPS烧结的金刚石-铜复合材料断面形貌 (a)未镀;(b)Cr

2.金刚石性质

毋庸置疑,具有独特晶体结构和电子结构的高品级金刚石才会具备热管理材料所要求的优异性质,如高热导(9902200W·m-1·K-1)、极低的热膨胀系数(不超过1.0×10-6K-1)、低介电常数(5.5)、高电阻率和击穿场强(1000kV/mm)

①金刚石颗粒热导率:金刚石种类很多,不同品种间的性能差异很大。如天然IIa型金刚石在室温下热导率高达2200 W·m-1·K-1;而人造单晶金刚石的热导率,则根据其缺陷的多少而有所不同。

②金刚石颗粒大小及其分布L.W eber等人用不同粒度金刚石与Ag-Si制备复合材料,发现当原料为MBD4级时,随粒径的增大复合材料热导率逐渐增大,当粒径超过200μm时,热导率达到800 W·m-1·K-1。此后,复合材料热导率随金刚石粒径增大而下降。而采用高品质金刚石时,复合材料热导率逐渐增大,金刚石粒径增大到300μm以上时热导率仍可保持在800 W·m-1·K-1的水平上。

④金刚石晶型:人造金刚石晶型越完整,其热导率越高。Flaquer等人通过线性追踪法及Hasselman-Johnson模型对金刚石的体积分数、颗粒尺寸尤其是晶型进行了建模分析,发现当金刚石晶型为正六面体时,复合材料的热导率达到最大值,此后热导率无明显变化。

3.宏观因素

宏观上讲,金刚石基复合材料的导热能力取决于金刚石体积分数、颗粒大小及分布等因素。比如说金刚石体积分数,下图是Katsuhito等人采用高温高压法制备的金刚石-Cu复合材料热物理性能。颗粒尺寸90~110μm、体积分数为70%时复合材料热导率最高可达742 W·m-1·K-1CTE可控制在4~9×10-6 K-1。复合材料热导率与金刚石体积分数及金刚石颗粒大小相关,而热膨胀系数仅与金刚石体积分数有关。

金刚石导热 

金刚石/Cu复合材料与体积分数的关系

(a)热导率; ( b)热膨胀系数

4.微观因素

金刚石主要靠声子导热,其声子平均自由程由声子间的相互碰撞和固体中缺陷对声子的散射决定。金刚石中的杂质元素、位错和裂纹等晶体缺陷,残留金属催化剂及晶格位向等因素都会与声子发生碰撞使其发生散射,从而限制了声子的平均自由程,降低热导率。复合材料导热时,声子、电子导热及声子-电子的相互作用对复合材料热导率的影响更为复杂,主要包括以下方面:

①化学成分:化学组分越复杂,杂质含量越多,材料热导率降低越明显。这是由于第二组分和杂质的引入会引起晶格扭曲、畸变和位错,破坏晶体的完整性,增大声子或电子的散射几率。

②内部缺陷:材料中各种缺陷都是引起声子散射的中心,会降低声子平均自由程和材料热导率。单晶中的杂质、位错、裂纹等晶格缺陷以及复合材料中的气孔等都会增大声子散射几率。

③晶体结构:单晶结构越复杂,导热系数越低。多晶在结构上的完整性和规则性都比较差,加上晶界上杂质和畸变等因素都会使声子散射增加。

总结

到目前为止,金刚石热管理材料研究与应用已取得较大进展,其热物理性能不断提升。考虑到金刚石的熔点接近摄氏4000度,而且不受强酸、强碱等化学药剂的侵蚀,它应该相当适合用于需要在严苛条件下操作使用的高精密电子仪器中。

资料来源:

金刚石热管理材料的研究进展,宋月清,夏扬,谢元锋,林晨光,郭志猛,曲选辉。

了不起的結晶–金剛石,余樹楨。

粉体圈 NANA整理


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