·1346· 北京科技大学学报 第36卷 52W·m1·K-1.分析其原因，是高温下Cr会向Cu 热导率的影响，复合材料中增强相与基体的界面结 中扩散.当Cr在Cu中扩散时，虽然两者的扩散有 合状况也是影响复合材料热导率的重要因素.两相 利于提高结合情况，但当镀铜层较薄时，一旦Cr扩 之间界面的存在使得复合材料中存在界面热阻，从 散到Cu的表面，Cr将可能与表面的Cu20发生氧 而使复合材料的热导率下降.对于金刚石/玻璃复 化一还原反应，使得玻璃对金刚石颗粒表面的润湿 合材料，随着镀C山层厚度增加，界面热阻不断增 情况变差从而使复合材料的热导率要明显低于普通 大，因此复合材料的热导率逐渐下降：而对于镀Cr 金刚石颗粒增强复合材料的热导率.随着镀铜层的 金刚石/玻璃复合材料，随着镀Cu层厚度增加，由 不断增厚，C所需扩散的距离越来越长，难以到达 于Cr与金刚石实现了化学结合并且Cr在Cu层中 表面，同时由于C与金刚石颗粒的化学结合以及 有效扩散，使得界面热阻逐渐降低，因此复合材料的 Cr在Cu层中的有限扩散，因而使复合材料的热导 热导率逐渐升高 率逐渐增大. 3 结论 由于复合材料的热导率随着金刚石含量增加而 增加，因此制备了金刚石颗粒的粒度为100um、体 (1)利用放电等离子烧结方法制备的金刚石/ 积分数为70%且镀铜层厚度为1.59um时的复合 玻璃和镀C金刚石/玻璃复合材料均具有90%以 材料.经测量和计算，此时复合材料的热导率达到 上的致密度，且随着金刚石含量增加而逐渐降低. 了91Wm1·K-1,是目前国内外有报道的同类材料 (2)金刚石在玻璃基体中均匀分布，结合紧密； 的最高值 断口分析和界面观察结果表明Cu/金刚石界面和 2.5.3复合材料热导率分析 Cr/Cu界面分别是金刚石/玻璃和镀Cr金刚石/玻 复合材料的热导率与基体和增强相的导热性 璃复合材料内部结合最弱的界面 能、增强相的含量、复合材料的致密度、界面结合状 (3)复合材料的热导率随着金刚石含量增大而 况等密切相关.由于所研究的金刚石增强玻璃基复 增加.金刚石/玻璃复合材料的热导率随着镀Cu层 合材料中，增强相金刚石与基体玻璃之间的热导率 厚度增加而逐渐降低；而镀Cr金刚石/玻璃复合材 差距悬殊，而且金刚石颗粒在复合材中的含量较高， 料中由于Cr与金刚石实现了化学结合并且Cr在 因而使用Agai模型回可以对其变化规律进行 Cu层中的有效扩散，复合材料的热导率随着镀Cu 解释. 层厚度增加而逐渐增加： Agai模型的数学表达式如下： (4)当镀Cr金刚石体积分数为70%且镀铜层 lgA=VC2lg入2+(1-)lg(C入).(3) 厚度为1.59um时，复合材料热导率为91.0 式中：入1为基体材料的热导率，W·m1·K;2为 W·mK-,为目前国内外有报道的同类材料的最 增强相的热导率，W·m1·K-1;入为复合材料的热 高值 导率，Wm·K;V为增强相的体积分数：C,为影 参考文献 响结晶度和晶粒尺寸因子；C,为形成导热填料粒子 导热链自由因子.这里C,体现了形成导热链的难易 1]Tian M B.Electronic Packaging Engineering.Beijing:Tsinghua University Press,2003 程度，0≤C,≤1.粒子越容易形成导热链，粒子对复 (田民波.电子封装工程.北京：清华大学出版社，2003) 合材料导热性的影响越大，C,就越接近1. [2] Zhang YJ,TongZS,Shen ZS.Preparation of Cu/diamond com- 对于Agai模型，C,和C,是两个难以确定的量. posites by spark plasma sintering.J Univ Sci Technol Beijing 由于金刚石的热导率入2远高于DM308玻璃的热导 2009,31(8):1019 率入1，因此可近似认为lg入C,lg入2.可以看出，随 (张毓隽，童震松，沈卓身.SPS方法制备铜/金刚石复合材料. 北京科技大学学报，2009,31(8)：1019) 着金刚石体积分数V的增加，复合材料中就越容易 Mizuuchi K,Inoue K,Agari Y,et al.Thermal conductivity of di- 形成导热链，即C,值越大，因此复合材料的热导率 amond particle dispersed aluminum matrix composites fabricated in 会随着金刚石体积分数的增加而增加.当镀Cr金 solid-iquid co-existent state by SPS.Compos Part B,2011,42 刚石体积分数为70%且镀铜层厚度为1.59m时， (5):1029 经测定此时复合材料热导率为91.0W·m1·K-1, 4]Zhang Y,Zhang H L,Wu J H,et al.Enhanced thermal conduc- tivity in copper matrix composites reinforced with titanium-coated 则可计算出此时复合材料中表征形成导热链难易程 diamond particles.Scripta Mater,2011,65(12):1097 度的参数C2为0.848 [5] Wang Y H,Zhou J,Cui X M,et al.Development of low tempera- 但是，Agai模型并未考虑界面热阻对复合材料 ture cofired ceramic technology in material field.J Inorg Mater,北 京 科 技 大 学 学 报 第 36 卷 52 W·m － 1·K － 1 ． 分析其原因，是高温下 Cr 会向 Cu 中扩散． 当 Cr 在 Cu 中扩散时，虽然两者的扩散有 利于提高结合情况，但当镀铜层较薄时，一旦 Cr 扩 散到 Cu 的表面，Cr 将可能与表面的 Cu2 O 发生氧 化--还原反应，使得玻璃对金刚石颗粒表面的润湿 情况变差从而使复合材料的热导率要明显低于普通 金刚石颗粒增强复合材料的热导率． 随着镀铜层的 不断增厚，Cr 所需扩散的距离越来越长，难以到达 表面，同时由于 Cr 与金刚石颗粒的化学结合以及 Cr 在 Cu 层中的有限扩散，因而使复合材料的热导 率逐渐增大． 由于复合材料的热导率随着金刚石含量增加而 增加，因此制备了金刚石颗粒的粒度为 100 μm、体 积分数为 70% 且镀铜层厚度为 1. 59 μm 时的复合 材料． 经测量和计算，此时复合材料的热导率达到 了 91 W·m － 1·K － 1，是目前国内外有报道的同类材料 的最高值． 2. 5. 3 复合材料热导率分析 复合材料的热导率与基体和增强相的导热性 能、增强相的含量、复合材料的致密度、界面结合状 况等密切相关． 由于所研究的金刚石增强玻璃基复 合材料中，增强相金刚石与基体玻璃之间的热导率 差距悬殊，而且金刚石颗粒在复合材中的含量较高， 因而 使 用 Agari 模 型［22］ 可以对其变化规律进行 解释． Agari 模型的数学表达式如下: lg λ = VC2 lg λ2 + ( 1 － V) lg ( C1λ1 ) ． ( 3) 式中: λ1 为基体材料的热导率，W·m － 1·K － 1 ; λ2 为 增强相的热导率，W·m － 1·K － 1 ; λ 为复合材料的热 导率，W·m － 1·K － 1 ; V 为增强相的体积分数; C1为影 响结晶度和晶粒尺寸因子; C2为形成导热填料粒子 导热链自由因子． 这里 C2体现了形成导热链的难易 程度，0≤C2≤1． 粒子越容易形成导热链，粒子对复 合材料导热性的影响越大，C2就越接近 1． 对于 Agari 模型，C1和 C2是两个难以确定的量． 由于金刚石的热导率 λ2 远高于 DM308 玻璃的热导 率 λ1，因此可近似认为 lgλ≈VC2 lgλ2 ． 可以看出，随 着金刚石体积分数 V 的增加，复合材料中就越容易 形成导热链，即 C2值越大，因此复合材料的热导率 会随着金刚石体积分数的增加而增加． 当镀 Cr 金 刚石体积分数为 70% 且镀铜层厚度为 1. 59 μm 时， 经测定此时复合材料热导率为 91. 0 W·m － 1·K － 1， 则可计算出此时复合材料中表征形成导热链难易程 度的参数 C2为 0. 848． 但是，Agari 模型并未考虑界面热阻对复合材料 热导率的影响，复合材料中增强相与基体的界面结 合状况也是影响复合材料热导率的重要因素． 两相 之间界面的存在使得复合材料中存在界面热阻，从 而使复合材料的热导率下降． 对于金刚石/玻璃复 合材料，随着镀 Cu 层厚度增加，界面热阻不断增 大，因此复合材料的热导率逐渐下降; 而对于镀 Cr 金刚石/玻璃复合材料，随着镀 Cu 层厚度增加，由 于 Cr 与金刚石实现了化学结合并且 Cr 在 Cu 层中 有效扩散，使得界面热阻逐渐降低，因此复合材料的 热导率逐渐升高． 3 结论 ( 1) 利用放电等离子烧结方法制备的金刚石/ 玻璃和镀 Cr 金刚石/玻璃复合材料均具有 90% 以 上的致密度，且随着金刚石含量增加而逐渐降低． ( 2) 金刚石在玻璃基体中均匀分布，结合紧密; 断口分析和界面观察结果表明 Cu /金刚石界面和 Cr /Cu 界面分别是金刚石/玻璃和镀 Cr 金刚石/玻 璃复合材料内部结合最弱的界面． ( 3) 复合材料的热导率随着金刚石含量增大而 增加． 金刚石/玻璃复合材料的热导率随着镀 Cu 层 厚度增加而逐渐降低; 而镀 Cr 金刚石/玻璃复合材 料中由于 Cr 与金刚石实现了化学结合并且 Cr 在 Cu 层中的有效扩散，复合材料的热导率随着镀 Cu 层厚度增加而逐渐增加; ( 4) 当镀 Cr 金刚石体积分数为 70% 且镀铜层 厚度 为 1. 59 μm 时，复合材料热导率为 91. 0 W·m － 1·K － 1，为目前国内外有报道的同类材料的最 高值． 参 考 文 献 ［1］ Tian M B． Electronic Packaging Engineering． Beijing: Tsinghua University Press，2003 ( 田民波． 电子封装工程． 北京: 清华大学出版社，2003) ［2］ Zhang Y J，Tong Z S，Shen Z S． Preparation of Cu / diamond com￾posites by spark plasma sintering． J Univ Sci Technol Beijing， 2009，31( 8) : 1019 ( 张毓隽，童震松，沈卓身． SPS 方法制备铜/金刚石复合材料． 北京科技大学学报，2009，31( 8) : 1019) ［3］ Mizuuchi K，Inoue K，Agari Y，et al． Thermal conductivity of di￾amond particle dispersed aluminum matrix composites fabricated in solid-liquid co-existent state by SPS． Compos Part B，2011，42 ( 5) : 1029 ［4］ Zhang Y，Zhang H L，Wu J H，et al． Enhanced thermal conduc￾tivity in copper matrix composites reinforced with titanium-coated diamond particles． Scripta Mater，2011，65( 12) : 1097 ［5］ Wang Y H，Zhou J，Cui X M，et al． Development of low tempera￾ture cofired ceramic technology in material field． J Inorg Mater， · 6431 ·