中國粉體網訊 隨著具有高功率密度的高性能電子器件的快速發展，高效散熱正成為日益關鍵的問題。金剛石復合材料得到了廣泛的關注，被認為是下一代散熱器和電子封裝材料最具競爭力的候選材料。金剛石的晶體結構是非常穩定的共價鍵立方晶系，這種均勻、高度有序的晶體結構使金剛石具有高度的硬度和穩定性。金剛石單晶的熱導率可達到2000W/mK，遠遠超過傳統導熱材料，其在高溫環境中也能夠保持出色的導熱性能。然而，由于金剛石的高成本和脆性，單一應用受到了一定的限制。因此，通過將金剛石與其他材料復合，以獲得更為經濟、實用且具有可塑性的材料，成為當前研究的熱點之一。
金剛石復合材料的種類
（一）金屬基金剛石復合材料
金屬基體與金剛石的組合應用廣泛。鋁基金剛石復合材料因鋁具有質量輕、一定導電性及導熱性的特點，加入金剛石微粒后，硬度與耐磨性顯著提高。在航空航天領域，常用于制造飛行器機翼邊緣防護件、衛星精密儀器支架，既能減輕重量，又可耐受微流星體撞擊及太空復雜環境造成的磨損；銅基金剛石復合材料充分利用銅優良的熱傳導性能，多用于電子設備散熱，像電腦CPU散熱鰭片、5G基站功率模塊散熱器等，能夠有效驅散熱量，使設備維持低溫運行狀態，確保電子元件穩定工作。
金屬基金剛石復合材料 圖源：海特信科官網
（二）陶瓷基金剛石復合材料
陶瓷基體為復合材料帶來耐高溫、化學穩定性強的特性。碳化硅基金剛石復合材料硬度極高，接近天然金剛石，制成切削刀具后，可用于切削高硬度合金鋼、陶瓷材料，利于提升加工精度與效率。此外，金剛石/碳化硅復合材料還可以用于半導體基板、電阻器、熱敏電阻等電子元件等；氮化硼基金剛石復合材料熱穩定性突出，適用于高溫爐襯里、半導體制造熱場部件，能承受上千攝氏度高溫，保持結構完整，保障生產流程正常進行。
（三）聚合物基金剛石復合材料
柔性聚合物與堅硬金剛石的組合有獨特用途。環氧樹脂基金剛石復合材料制成的耐磨涂層，常用于汽車發動機活塞表面、工業傳送鏈條，可減少摩擦損耗，延長設備使用壽命；聚酰亞胺基金剛石復合板材兼具柔韌性、絕緣性及耐磨性，應用于柔性電子顯示屏、可穿戴設備關鍵部位，能保護內部元件，適應反復彎折、拉伸的工況。
（四）碳基復合金剛石材料
碳纖維增強金剛石復合材料借助碳纖維高強度、高模量特性，用于網球拍、高爾夫球桿等體育器材時，受力性能良好，擊球瞬間能量傳遞高效，抗變形能力強；碳納米管-金剛石復合材料電學性能優異，在微型傳感器、超級電容器電極領域有應用潛力，納米尺度下可加速電子轉移，提升器件靈敏度與儲能效率。
金剛石復合材料的制備方法
（一）粉末冶金法
粉末冶金法是傳統的制備路徑。先將金剛石粉末與金屬、陶瓷粉末依精準比例機械混合，均勻度關乎成品性能。隨后將混合粉末裝入特制模具，送入高溫高壓燒結爐。燒結過程中，高溫激活粉末原子擴散，高壓壓實顆粒間距，促使金剛石與基體形成牢固冶金結合。制備鎳基超硬合金鑲金剛石刀具時，添加適量硼、鈦等微量元素作燒結助劑，降低界面能，強化結合力，提升刀具切削韌性。
（二）化學氣相沉積（CVD）法
在密閉反應腔室里，氣態碳源（甲烷、乙炔等）在高溫、等離子體或熱絲激發下分解出碳原子。這些碳原子在基體表面沉積、結晶，逐步生長成金剛石薄膜。以硅晶圓為基體制造半導體散熱片時，精確調控反應腔溫度、氣體流量、等離子體功率等參數，確保碳原子均勻沉積，生成高質量、連續致密的金剛石膜，提升芯片散熱效率。
（三）電鍍法
在含金剛石微粉的電鍍液體系中，以待鍍金屬工件為陰極，惰性電極作陽極。接通直流電后，電鍍液里金屬離子向陰極遷移、還原析出，裹挾懸浮金剛石顆粒一同沉積在工件表面。汽車模具電鍍鎳-金剛石復合層時，合理調整電流密度、電鍍時間，同時攪拌鍍液，讓金剛石均勻分散，增強模具脫模性能與耐磨性。
（四）原位合成法
借助化學反應原位生成金剛石并達成復合，自蔓延高溫合成（SHS）是典型代表。把金屬粉末與碳源按化學計量比混合、壓制成坯體，點燃坯體一端，化學反應釋放大量熱，瞬間營造高溫高壓環境，促使金剛石成核、生長并嵌入基體。制備發動機缸套時，此方法無需龐大外部熱源，高效快捷，契合復雜形狀構件批量生產。
金剛石復合材料的應用領域
（一）散熱領域
高功率電子器件：金剛石具有極高的熱導率，是銅、銀的5倍左右，可快速將電子器件產生的熱量傳導出去。如在半導體激光器中，使用金剛石熱沉片能顯著提升散熱效果，降低熱阻，增強輸出功率并延長其使用壽命。
5G/6G通信設備：5G/6G通信設備中的射頻芯片等部件功率密度高，發熱量大。金剛石復合材料制成的散熱部件能有效解決這些部件的散熱問題，確保設備在高頻、高功率運行時的穩定性和可靠性，提升通信質量和效率。
新能源汽車：新能源汽車的動力系統、充電系統等會產生大量熱量，金剛石復合材料可用于制造汽車的散熱基板、散熱片等部件，提高散熱效率，延長相關部件的使用壽命，提升汽車的整體性能和安全性。
工業控制領域高功率IGBT模塊：在工業控制領域的高功率IGBT模塊中，金剛石作為散熱材料，有助于實現更高效的散熱和更高的功率密度，保障設備的穩定運行。
（二）電子封裝領域
封裝基板：隨著微電子技術向高密度組裝、小型化發展，對封裝基板的熱導率、熱膨脹系數等性能要求越來越高。金剛石憑借高熱導率、低熱膨脹系數和良好的穩定性，成為新一代封裝基板材料的關注焦點。通過將金剛石顆粒與Ag、Cu、Al等高導熱金屬基體復合，制備出的金剛石/金屬基復合材料已初步展現出其在電子封裝領域的巨大潛力。
導熱膠：在電子封裝中，導熱膠用于填充芯片與封裝外殼之間的間隙，提高熱量傳遞效率。將金剛石研磨成粉末加入到導熱膠中形成的金剛石復合導熱膠，具有良好的導熱性能和粘合性，能夠粘合半導體光放大器中的波導層與覆蓋層、光芯片的上表面和外殼等。
芯片散熱封裝結構：金剛石復合材料可用于制造芯片散熱封裝結構中的散熱部件，如散熱鰭片、散熱柱等，與傳統的散熱材料相比，能夠更有效地將芯片產生的熱量散發出去，提高芯片的工作穩定性和可靠性，同時還可以減小封裝結構的尺寸，滿足電子設備小型化的需求。
（三）其他領域
切削刀具及耐磨件：金剛石復合片是采用金剛石微粉與硬質合金基體在超高壓高溫條件下燒結而成的復合材料，既具有金剛石的高硬度、高耐磨性與導熱性，又具有硬質合金的強度與抗沖擊韌性，是制造切削刀具、鉆井鉆頭及其他耐磨工具的理想材料。
光學窗口：金剛石在光學領域具有良好透光性和折射率，適用于制造光電器件的光學窗口，如紅外探測器、激光設備等的窗口材料，能夠承受高溫、高壓等惡劣環境。
生物醫學：金剛石具有良好的生物相容性和化學穩定性，可用于制造生物醫學設備，如植入式醫療器械、生物傳感器等。
航空航天：航空航天領域對材料的性能要求極高，金剛石復合材料因其高強度、高硬度、低密度、耐高溫等特性，可用于制造航空航天部件，如發動機葉片、機翼結構件等。
金剛石復合材料憑借豐富種類、多元制備工藝，從微觀芯片散熱到宏觀航天裝備，從日常電子產品到前沿醫療領域，全方位滲透現代生活。未來，隨著制備技術的不斷進步和成本的不斷降低，金剛石復合材料有望在更多領域得到應用和推廣。
參考來源：
吳新鋒等：金剛石導熱復合材料的研究進展
祝平等: 金剛石/金屬復合材料界面改性研究進展
王翔宇等：金剛石／鋁復合材料的制備及其擴熱可靠性研究
中國粉體網
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