三维连续网络金刚石增强铝基复合材料研究取得新进展

随着信息技术的发展、5G时代的来临，万物互联的步伐在不断加快，电子产品正逐步向智能化、多功能、轻薄化等方向发展。

在电子产品性能日益强大的过程中，集成电路芯片和电子元器件体积却不断缩小，高密度集成组装技术的不断提高导致功耗和发热量急剧增加，散热问题已经成为制约相关产业发展的关键瓶颈。热管理材料中，金刚石/金属基复合材料凭借其优异的导热系数和较低的热膨胀系数而受到广泛关注。

目前国内外主要研究思路是增加金刚石颗粒含量和改善金刚石颗粒/金属的复合界面，均取得了较好的效果。然而，此种复合结构中的金刚石颗粒（热导率~2200W/mK）犹如一座座由金属（Al~237W/mK、Cu~398W/mK）连接的导热孤岛，既增加了两相界面数量，又难产生协同作用，使金刚石优异的导热性能难以充分发挥。

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中南大学金刚石团队一直致力于在复合材料中构建连续的金刚石网络骨架，变高导热孤岛为高导热通道。具体研究思路为：以泡沫金属为衬底，利用化学气相沉积技术制备高质量三维连续网络金刚石骨架，再利用气体压力熔渗技术与金属复合，使金刚石与金属形成网络互穿结构，研究其宏微观结构及界面对复合材料导热性能的作用机理，揭示金刚石形成连续导热通道对其在复合材料中发挥导热效率的影响机理，为高导热金刚石/金属基复合材料的设计与制备提供理论和实验依据。

近年来，中南大学金刚石团队致力于通过优化化学气相沉积过程中的温度场和气氛场成功制备高质量三维连续网络金刚石，并围绕其在先进热管理材料、有机废水处理和生物传感器等领域的应用开展了系列研究，先后在Applied Catalysis B: Environmental 245 (2019) 420-427、Applied Energy 233-234 (2019) 208-219 (ESI高被引论文)、Materials & Design 156 (2018) 32-41等国际期刊上发表了相关研究进展。

“新型高导热复合相变材料——全球高性能电子温控的领航者”在第五届中国“互联网+”大学生创新创业大赛中获得“金奖”，高教主赛道创意组中得分全国排名第一（本次大赛由教育部、发改委、工信部等12个中央部委单位和浙江省人民政府共同主办，共有来自全球五大洲124个国家和地区的457万名大学生、109万个团队报名参赛，参赛项目和学生数接近前四届大赛的总和）。

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中南大学金刚石团队近期通过气体压力熔渗技术将三维连续网络金刚石与金属铝复合，在铝基体中构建了三维连续网络金刚石快速导热通道。复合材料在金刚石体积分数仅为4.6 vol.%的情况下，加热和冷却过程中的热传导速率明显强于纯铝和纯铜。复合材料热导率为315.7 W/mK，相比较纯铝提升了54%，而单位体积分数金刚石增强体对复合材料热导率的提升贡献值(导热效率)远高于传统颗粒构型金刚石增强的铝基复合材料。

研究成果以“Construction of 3D interconnected diamond networks in Al-matrix composite for high-efficiency thermal management”为题，发表在国际权威期刊Chemical Engineering Journal 380 (2020) 122551。中南大学2016级博士研究生张龙为第一作者，魏秋平副教授、马莉副研究员和周科朝教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金和粉末冶金国家重点实验室自主课题的资助。

金刚石除了作为钻石具有宝贵的美学价值外，还具有一系列优异的物理化学性能，其中包括最高的硬度、弹性模量，极高的击穿场强、热导率、载流子迁移率，极低的线膨胀系数、摩擦系数，很宽的禁带、光学透过率，非常好的化学稳定性和生物相容性，纯净的金刚石为良好的绝缘体，掺杂后可成为良好的半导体甚至可能成为超导体等，这些优异性能的集成使得金刚石成为自然界中最具有科技和艺术价值的固体。

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化学气相沉积法（CVD）合成金刚石在最近40年取得了巨大的突破，使CVD金刚石在不久的将来实现市场化、产业化、规模化成为可能，与此同时，全世界的工程师和设计者都在积极探索和挖掘CVD金刚石的潜在应用价值，并且已经在医学诊断、电化学传感、水处理、放射线探测、高功率器件、声学器件、磁力测定和新型激光器等众多领域取得了较好的进展。

中南大学金刚石团队在三维连续网络金刚石方面的研究工作将为金刚石在电子封装热管理、电化学氧化、电化学合成和电化学分析等领域的应用提供新的思路。

论文链接：http://libdb.csu.edu.cn/rwt/SCI/https/P75YPLUUMNVXK5UDMWTGT6UFMN4C6Z5QNF/science/article/pii/S1385894719319540?via%3Dihub

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