电子元件的集成化和小型化为为用户带来了更加便捷、高效、智能的体的同时，也导致了设备内部功率密度越来越高，高效散热成为了限制器件性能进一步提升的关键问题。金刚石由于拥有稳定均匀、高度有序的立方晶系晶格结构，声子传导能够非常高效地进行，因此赋予了其出色的导热性能，单晶的热导率可达到2200W/mK，远远超过传统导热材料，使得其在导热领域的应用前景十分广阔。然而，由于金刚石的高成本和脆性，目前其单一应用在工业上受到了一定的限制，因此往往通过将金刚石与其他材料复合制备成导热复合材料使用。本文就此盘点一下金刚石材料在导热复合材料中的应用形式及导热机理。

来源：网络

1、聚合物基导热界面材料

聚合物导热复合材料具有轻质、加工性好、成本低等优点，在电子器件中普遍用作导热界面材料填充于微电子材料表面和散热器之间的间隙，用以排除其中的空气，提升散热性能，而且导热性能很大程度依赖于导热填料的热导性。金刚石微粉的热导率远高于常见的金属填料和陶瓷填料等，能够显著提高复合材料的整体导热性能。

目前，金刚石作为导热填料应用于导热界面材料中主要有两种制备方式:

①共混法

共混法就是将金刚石填料与聚合物基体进行简单混合，使金刚石在基体内部随机排列构筑成导热通路。该方法操作简单，但是由于金刚石具有表面惰性和较小的热膨胀系数，且填料分布随机，存在填料分布不均匀、与聚合物之间接触热阻大、导热通路不完全等问题，往往需要添加较大含量的填料，并对其进行表面改性处理，才能实现复合材料的高导热性能。

②构筑模板法

构筑模板法是利用冰、盐、金属、糖或其他无机物作为模板剂预制模板的方式，将金刚石导热填料分散在其中，利用模板微结构的空间限制作用，来构建填料的三维导热网络并调控其结构与尺寸，接着利用特定方法去除模板，以获得取向结构的三维交联骨架，最后将填料的三维交联骨架浸入聚合物基体中形成复合材料。

该方法可以通过控制模板的结构和形状来定向排列金刚石颗粒和孔隙度，因此能够优化导热路径，解决传统共混法由于填料分布随机，难以在低填充体积下实现高导热性的难题，同时由于模板可以提供更多的表面反应位点，界面热阻会得到一定的优化。

2、金属基金刚石复合材料

封装材料的应用需要考虑两大基本性能要求，一是高的热导率，以实现热量的快速传递，保证芯片可以在理想的温度条件下稳定工作；二是可调控的热膨胀系数，从而与芯片和各级封装材料保持匹配，降低热应力的不良影响。金刚石/金属复合材料因其优异的热物理性能，在封装领域具有重要的应用潜力。

金刚石/铜复合材料（来源：有研工研院）

目前，金属基金刚石复合材料主要有金刚石/铜、金刚石/铝和金刚石/镁复合材料等，它们的应用侧重点有所差异。

①金刚石/铜：铜基体本身具有优良的热传导性能，在电子器件的热沉材料领域有着巨大的应用市场，能够有效驱散热量，使设备维持低温运行状态，确保电子元件稳定工作。

②金刚石/铝：通过合适的制备工艺，金刚石颗粒与铝基体之间可以实现良好界面结合，从而提高复合材料的整体性能，同时铝的密度较低，有利于减轻整体结构的重量，适用于航空航天等领域的热管理场合中。

③金刚石/镁：与铝基体相比，镁基体复合材料的密度更低，同时强度也略胜一筹。但是金刚石与镁的热膨胀系数存在显著差异，这可能导致复合材料在温度变化时产生热应力，目前该复合材料研究仍处于起步阶段。

由于金属基体的导热机制主要是通过自由电子移动、相互作用及碰撞来实现的，而金刚石则是通过声子传导完成的，因此对于金属基金刚石复合材料，金属与金刚石之间的界面传导是影响复合材料整体热导率的关键，而这又取决于界面结合强度、界面态密度以及界面缺陷等因素。目前，主要的改进方法是通过金属基体合金化或金刚石表面金属化对金刚石/金刚石界面进行化学改性来解决。

金刚石/铜复合材料界面热阻示意图（来源：参考文献3）

①金属基体合金化：主要是在金属基体中掺杂各种活性元素，如Ti、B、Zr。通过这一方法可以有效降低金刚石与铜的湿润角，同时金刚石/铜界面会生成碳化物层，修饰填充了界面之中的一些缝隙，提高了复合材料的导热性能。目前铜基体合金化后，后续主要采用熔渗法制备金刚石复合材料，即将预成型的金刚石骨架浸入到熔融金属液中，使之填充孔隙，然后冷却、凝固，制得复合材料。这种制备方法可以让金刚石颗粒和金属基体的接触更加充分，大幅提升了材料的致密度，可以制备出结构更加复杂、热学性能优越的热导材料。

②金刚石表面金属化：即预先在金刚石颗粒表面镀覆活性元素，如Ti、W、Mo等，后续再经过烧结等方式制得复合材料。在烧结过程中形成的碳化物与铜有着较好的润湿性，同时又可以与金刚石表面有较好的化学键结合。在后续高温烧结过程中，镀层还可以对金刚石起到一定的保护作用，减少金刚石的损伤。一般常用的金刚石表面金属化方法有化学镀膜、电镀、磁控溅射法镀膜、真空化学气相镀等。

·化学镀膜：该方法是应用最广、技术最成熟的一种镀覆技术，通常是先对金刚石先进行“敏化”与“活化”处理后，再通过在镀液中添加合适的还原剂，使其中的金属离子通过自催化过程的还原反应形成金属原子而沉积在金刚石表面，形成金属镀层，不过该方法需要金刚石具有良好的分散性能，以避免出现漏镀、镀覆不均匀等现象。

·电镀：基于电解池反应，将金刚石颗粒作为阴极置于含金属离子镀液中，金属阳极在通电时不断溶解补充离子，在电场驱动下，镀液中金属离子移向金刚石阴极，得电子后还原成金属原子并沉积。该方法能精准调控镀层厚度，但需复杂预处理确保金刚石表面具有导电性，一般是在化学镀后进行增厚镀覆。

·磁控溅射：磁控溅射技术是利用磁场和电场来操控靶材表面的离子化过程，产生等离子体并将靶材原子沉积到金刚石表面上。该技术也能精确控制薄膜的厚 度和均匀性，同时薄膜通常具有较高的结晶质量和 致密性，但存在生长速率较低的问题，同时层层搭接的结构也使得存在很大的界面问题。

·真空化学气相镀：这是指在一定压力、温度、时间条件下，将被镀金属的气态化合物导入放有镀件的反应室内，与镀件接触发生热分解或化学合成而形成镀层。目前已有用气相镀在金刚石表面镀钛或钨的研究，但该方法反应温度高，易对金刚石造成热损伤，单次镀覆量低

3、陶瓷基金刚石复合材料

陶瓷基体具有耐高温、化学稳定性强、机械强度高等特性，其中碳化硅与金刚石结构相似，润湿性与热膨胀匹配性都要比金属与金刚石好的多，且两者热传导机制都为声子传导，将两者复合制备的金刚石/碳化硅复合材料在导热率、硬度、耐高温、高温抗氧化性、抗热震性等方面具有突出优势，可充当耐高温结构件广泛应用于航空航天、新型节能汽车等领域。除此之外，也可制成切削刀具，应用于高速高精密切削领域，其高导热性能能使切削热容易散出。

不过金刚石在常温常压下属于热力学不稳定相，在一定条件下会自发向稳定的石墨相转变。而该石墨层会存在较大的晶格失配或晶格不连续性，在金刚石/碳化硅界面区域发生严重的声子边界散射现象，散射会截断声子的平均自由程，从而严重降低复合材料的导热性能。因此，该复合材料在制备过程中需要有效防止金刚石石墨化。目前，主要有高温高压烧结法、放电等离子烧结法、先驱体转化法等制备方式均可有效减少金刚石石墨化现象。

①高温高压烧结法：该方法是把金刚石微粉和纯硅粉充分混合均匀后在高温和高压下进行原位反应生成碳化硅，最终得到金刚石/碳化硅复合材料。由于金刚石在高压下是稳定相，因此该方法也能有效避免金刚石石墨化，同时具有周期短，材料均匀性好的优点。但设备成本高，且难以制备复杂结构的复合材料。

②放电等离子烧结法：该方法利用直流电短时间内在粉末颗粒间隙施加放电等离子体，从而实现粉末的快速固结，由于可以在较低的烧结温度和较短的烧结时间可以在很大程度上阻止金刚石石墨化，而且更加节能和低成本。

③先驱体转化法：是在一定温度下发生裂解生成碳化硅包裹在金刚石表面并填充基体孔隙。聚碳硅烷转化而成的β-SiC与α-SiC和金刚石具有良好的润湿性，同时β-SiC作为涂层可以有效抑制金刚石的石墨化。相比前两种方法，该方法较为简单，生产成本较低，但聚碳硅烷的转化率低，制备时间较长。

参考来源：

1、唐波,相利学,代旭明,等.金刚石导热复合材料的研究进展[J].中国塑料.

2、金刚石微粉表面改性研究综述

3、戴书刚,李金旺,董传俊.金刚石/铜高导热复合材料制备工艺的研究进展[J].精细化工.

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