来源 | Materials Today Physics

链接 | https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2025.101818

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背景介绍

高性能计算芯片的多功能集成和小型化推动了自动驾驶、人工智能、6 G通信等前沿半导体技术的快速发展，但这一进步也同时加剧了热管理挑战；虽然金刚石增强铜基体（金刚石/铜）复合材料可以通过界面改性获得高的导热系数，但复合材料与半导体材料之间的热膨胀系数（CTE）存在显著的不匹配，沿着长期使用时传热性能的下降，严重阻碍了其工程应用。

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成果掠影

近日，中南大学马莉团队，提出了一种结合控制界面层厚度的界面设计策略，以达到同时提高金刚石/Cu复合材料的传热能力、热膨胀匹配性和热稳定性的目的。结果表明，当溅射时间为45 min时，所设计的金刚石/Cu复合材料具有优良的TC（743 W/m·K ）、低的CTE和较快的热响应，在大气环境中经过100次热循环后，复合材料的热扩散系数仅下降了20.7%，仍保持较高的热扩散系数，达到244.9mm²/s，证实了WC-(Zr,W)C多级界面层的引入有利于提高金刚石与基体的界面结合强度和声子匹配，此外，金刚石/铜复合材料在热冲击后具有均匀分布的金刚石颗粒、较高的相对密度和孤立的孔隙，保证了其优异的传热性能，这不仅解决了金刚石/铜复合材料的工程应用难题，阐明了其强化机理的深入理解，而且为热管理复合材料的界面层设计提供了新的视角。研究成果以“Simultaneously enhancing heat transfer ability, thermal expansion matching and thermal stability of diamond-reinforced Cu matrix composites through multi-level interface layer design”为题发表在《Materials Today Physics》期刊。

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图文导读

图1.金刚石/铜复合材料的制备过程示意图。

图2.（a）横向周期模型;（B）金刚石（111）/Cu（111）和（c）金刚石（111）/WC（0001）/CuZr（111）的界面结构模型。

图3.（a）WD/Cu（Zr）-t复合材料的TC和ITC值;（B）TC与先前报道的数据的比较，其中橙子、蓝色和红色色块分别代表表面金属化、基体合金化和偶联改性方法。

图4.（a）实时温度响应系统示意图;（B）CuZr合金、WD/Cu（Zr）-0和WD/Cu（Zr）-45复合材料的红外热图像和（c）温度-时间曲线。

图5.（a）WD/Cu（Zr）-0和WD/Cu（Zr）-45复合材料的CTE与Cu、金刚石、SiC和GaN的CTE的比较。（B）金刚石/Cu复合材料在HCST后k的变化。

图6.（a）金刚石颗粒的形态，（B）粒度分布直方图，（c）XRD图谱;（d）镀W金刚石颗粒的形态，（e，f）相应的EDS元素图谱。

图7.来自各种金刚石/Cu复合材料的金刚石颗粒的形态：（a）WD/Cu（Zr）-0和（B）（a）中的局部EDS图;（c）WD/Cu（Zr）-25;（d）WD/Cu（Zr）-35;（e）WD/Cu（Zr）-45和（f）（e）中的局部EDS图。