第8期 张毓隽等：SS方法制备铜/金刚石复合材料 。1021。 金刚石复合材料的拉曼光谱.从图中可以明显地看 外，随着金刚石体积分数的增加，复合材料的热导率 出，在1333.4cm1处有一明显的金刚石特征峰，而 几乎呈线性增加：但当金刚石的体积分数高于65% 整条谱线上并没有明显的石墨相特征峰：表明在 以后，复合材料的热导率却剧烈地下降而且颗粒度 1200K的烧结温度下，块体材料中的金刚石并未发 越大，下降的幅度越大：在金刚石体积分数为70% 生石墨化，或者说石墨化的程度非常低，无法检测 时，金刚石粒度为100m的复合材料热导率下降到 到.图中金刚石特征峰右侧的宽峰为非晶态物质， 了粒度为80m的复合材料以下， 可能是由块体材料中或金刚石中的杂质造成的.据 热导率对杂质含量、孔隙率非常敏感.另外，对 文献报道，受金刚石中金属包裹体等杂质的影 于复合材料来说它的热导率受两相的体积分数影 响，金刚石的石墨化温度在1273K以上.由于本文 响（即热导率与其高热导率组成相的体积分数成正 的烧结温度并不高，而且保温时间比较短所采用的 比，与低热导率组成相的体积分数成反比)，人们也 金刚石品质也比较高，因此未能探测到石墨相的 提出了一些计算模型，如混合定律、Maxwell公式9 生成 和Hatta-Taya0公式： ke=km'm十kpVp (3) 25000 1333.4 1+2 Km Km 20000 -2V P KP 至150 ke-km (4) 1+2+Vk知 Km 10000 Vo 1+ 5000 ke-km (1-V片 (5) 3 p一km 0 1000120014001600 1800 式中，k。、km和kp分别为复合材料、基体和增强相 波数/cm 的热导率Vm和V。分别为基体和增强相的体积 图3铜/金刚石复合材料的拉曼光谱 分数. Fig.3 Roman spectra of Cu/diamond composites 这些公式都很清楚地表明热导率是随高热导率 相的体积分数而增加的.这与图4中复合材料的热 2.2热导率 导率随金刚石体积分数增加而变大是一致的. 图4为不同金刚石体积分数、不同金刚石粒度 近年来人们也发现，复合材料中弥散相和基体 的铜/金刚石复合材料的热导率. 的相互作用界面对热量的传导也起着关键性的作 350 用，那种理想状态下两相的结合界面对热量传导没 金刚石粒度μm 有影响的假设在实际中是不成立的.所以，弥散相 300 的颗粒分布、粒度大小以及与基体的结合情况，甚至 包括弥散相和基体相的导热机制差异（如铜金刚石 250 复合材料中，铜的导热机制是自由电子传热，而金刚 石是声子传热，这样在铜和金刚石的界面，即使是良 袋200 好的接触，也可能会由于界面对热载子的散射作用 造成热量传导的阻碍)也会对整个材料的热导率产 150 生影响. 50 55 60 65 金刚石体积分数% 一般认为，相界面总是对热传导起阻碍作用，所 以在弥散相占同样的体积分数时，弥散相的粒度越 图4金刚石粒度和体积分数对复合材料热导率的影响 小，表面积就越大，界面面积也就越大，那么对热量 Fig.4 Effects of the size and the volume fraction of diamond on the thermal conductivity of the Cu/diamond composites 传导的阻碍作用越大.这很好地解释了本文图4中 所呈现的热导率随粒度增大而增大的现象， 从图4中可以很明显地看出，金刚石粒度越大， 另外，结合前面的致密度数据可以看出，当金刚 复合材料的热导率越高，最高热导率为305W· 石体积分数高于65%时，由于烧结困难，材料的致 m1K1.这与很多前人的结果是吻合的4可.另 密度出现了大幅的下降，这必然造成材料内部缺陷金刚石复合材料的拉曼光谱.从图中可以明显地看 出,在 1 333.4 cm -1处有一明显的金刚石特征峰, 而 整条谱线上并没有明显的石墨相特征峰;表明在 1 200 K 的烧结温度下,块体材料中的金刚石并未发 生石墨化, 或者说石墨化的程度非常低, 无法检测 到.图中金刚石特征峰右侧的宽峰为非晶态物质 , 可能是由块体材料中或金刚石中的杂质造成的 .据 文献报道 [ 8] , 受金刚石中金属包裹体等杂质的影 响,金刚石的石墨化温度在 1 273 K 以上 .由于本文 的烧结温度并不高, 而且保温时间比较短,所采用的 金刚石品质也比较高 , 因此未能探测到石墨相的 生成 . 图 3 铜/ 金刚石复合材料的拉曼光谱 Fig.3 Roman spectra of Cu/ diamond composit es 2.2 热导率 图 4 为不同金刚石体积分数、不同金刚石粒度 的铜/金刚石复合材料的热导率. 图 4 金刚石粒度和体积分数对复合材料热导率的影响 Fig.4 Effects of the size and the volume fraction of diamond on the thermal conductivity of the Cu/ diamond composites 从图 4 中可以很明显地看出, 金刚石粒度越大 , 复合材料的热导率越高 , 最高热导率为 305 W · m -1·K -1 .这与很多前人的结果是吻合的[ 4, 6] .另 外 ,随着金刚石体积分数的增加 ,复合材料的热导率 几乎呈线性增加;但当金刚石的体积分数高于 65 % 以后,复合材料的热导率却剧烈地下降,而且颗粒度 越大,下降的幅度越大 ;在金刚石体积分数为 70 % 时 ,金刚石粒度为 100 μm 的复合材料热导率下降到 了粒度为 80 μm 的复合材料以下 . 热导率对杂质含量 、孔隙率非常敏感 .另外 ,对 于复合材料来说, 它的热导率受两相的体积分数影 响(即热导率与其高热导率组成相的体积分数成正 比 ,与低热导率组成相的体积分数成反比),人们也 提出了一些计算模型, 如混合定律、Maxw ell 公式[ 9] 和 Hatta-Taya [ 10] 公式: k c =k m Vm +k p V p (3) k c =k m 1 +2 k m kp -2 V p k m k p -1 1 +2 k m k p +Vp km kp -1 (4) k c =k m 1 + Vp 1 3 (1 -Vp)+ k m k p -k m (5) 式中 , k c 、k m 和 k p 分别为复合材料 、基体和增强相 的热导率, V m 和 Vp 分别为基体和增强相的体积 分数. 这些公式都很清楚地表明热导率是随高热导率 相的体积分数而增加的 .这与图 4 中复合材料的热 导率随金刚石体积分数增加而变大是一致的. 近年来人们也发现 ,复合材料中弥散相和基体 的相互作用界面对热量的传导也起着关键性的作 用 ,那种理想状态下两相的结合界面对热量传导没 有影响的假设在实际中是不成立的 .所以, 弥散相 的颗粒分布 、粒度大小以及与基体的结合情况, 甚至 包括弥散相和基体相的导热机制差异(如铜/金刚石 复合材料中 ,铜的导热机制是自由电子传热,而金刚 石是声子传热,这样在铜和金刚石的界面 ,即使是良 好的接触 ,也可能会由于界面对热载子的散射作用 造成热量传导的阻碍)也会对整个材料的热导率产 生影响 . 一般认为,相界面总是对热传导起阻碍作用 ,所 以在弥散相占同样的体积分数时, 弥散相的粒度越 小 ,表面积就越大 ,界面面积也就越大, 那么对热量 传导的阻碍作用越大.这很好地解释了本文图 4 中 所呈现的热导率随粒度增大而增大的现象 . 另外,结合前面的致密度数据可以看出,当金刚 石体积分数高于 65 %时, 由于烧结困难, 材料的致 密度出现了大幅的下降 , 这必然造成材料内部缺陷 第 8 期 张毓隽等:SPS 方法制备铜/ 金刚石复合材料 · 1021 ·