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随着电子信息技术的快速发展,电子元器件的小型化和高度集成化引起电子设备的热流密度迅速增加,传统的电子封装散热材料已经很难保证大规模集成电路、半导体激光器、相控阵天线等高功率器件运行的安全性和可靠性,因此亟需开发新一代的电子封装散热材料。金刚石颗粒增强铜基(Cu/diamond)复合材料由于其优异的热物理性能、良好的力学性能和相对较低的密度等特点,是新一代电子封装散热材料的研究热点。Cu/diamond复合材料的界面结合状态直接决定复合材料的热物理性能和力学性能,界面结构的裁剪设计是提升复合材料性能的有效方式。目前,研究者主要关注如何在Cu/diamond界面处引入碳化物提高复合材料的热物理性能,然而缺乏Cu/diamond复合材料的界面微观组织的深入表征和分析,因此界面碳化物的形成机制还不清楚,复合材料界面结构对热物理性能、力学性能和热循环性能的作用机理尚未明确。本文采用铜硼基体合金化和气体压力浸渗技术制备不同硼含量的Cu-B/diamond复合材料,通过聚焦离子束刻蚀系统(FIB)、透射电子显微镜(TEM)和扫描透射电子显微镜(STEM)等方法系统研究Cu-B/diamond复合材料的界面结构,阐明界面碳化物的形成机制以及界面结构与热物理性能、力学性能和热循环性能之间的关系,并通过界面调控获得具有优异热物理性能、良好力学性能和稳定热循环性能的金刚石颗粒增强铜基复合材料。研究了 Cu-B/diamond复合材料的界面结构及其对热导率的影响规律,利用H-J、DEM模型和有限元方法预测了 Cu-B/diamond复合材料的热导率,并考察了热导率随温度的变化规律。结果表明,在0.1～1.0 wt.%B范围内Cu-B/diamond复合材料在界面处形成的碳化物形貌和厚度不同,碳化硼在金刚石颗粒表面形核长大,碳化硼与金刚石的界面存在半共格关系,晶体取向关系为(02 1)B4C//(111)diamond和[112]B4C//[110]diamond。对比具有不同界面碳化物形貌和厚度的Cu-B/diamond复合材料发现,当界面结构为不连续的三角形碳化物且碳化物间距适中时,复合材料热导率在0.3 wt.%B时获得最高值868 W/mK,这归因于不连续三角形碳化物的“钉扎效应”提高界面结合,所形成的热阻并联连接降低总界面热阻。当界面结构为较厚的连续的锯齿状碳化物时,复合材料热导率大幅下降。研究发现,由于H-J、DEM模型假设界面为完美结合状态,因而所获热导率预测值远高于实验值。为了准确理解界面结构和热导率的关系,本文考虑复合材料的实际界面结构和结合状态,采用有限元方法模拟复合材料的传热行为并预测热导率。结果表明,有限元分析方法获得的热导率预测值更接近实验值,有限元模拟结果为复合材料热导率的提升提供了理论指导。通过优化Cu-0.3wt.%B/diamond复合材料的界面结构,热导率从868 W/mK进一步提升到912 W/mK。研究发现,Cu-B/diamond复合材料的热导率在323～573 K范围内随着温度的升高而下降,这与金属基体和金刚石颗粒的热物理性质改变以及界面结构的演变密切相关。研究了Cu-B/diamond 复合材料的界面结构对热膨胀系数的影响规律,并考察了热循环对复合材料热导率和热膨胀系数的影响。结果表明,Cu-B/diamond复合材料的热膨胀系数随着硼含量的增加先下降后上升,在0.5 wt.%B时获得热膨胀系数最低值4.88×10-6/K,这与界面碳化物的形貌演变有关。在较低硼含量的复合材料中,具有“钉扎效应”的不连续三角形碳化物数量增多强化了 Cu-B/diamond的界面结合/粘合力,从而降低了热膨胀系数;而在较高硼含量的复合材料中,连续锯齿状碳化物则弱化了界面结合/粘合力,因此增加了热膨胀系数。通过测量热循环前后复合材料的热物理性能发现,Cu-0.5wt.%B/diamond复合材料具有最佳的热稳定性,在218～423 K温度范围内经过100次热循环后复合材料热导率几乎保持不变,约为740 W/mK,热膨胀系数从4.88×10-6/K稍微增加到4.97×10-6/K。相比而言,未添加B元素的Cu/diamond复合材料的热稳定性最差,经过100次热循环后复合材料热导率从112 W/mK降低到88 W/mK,热膨胀系数从14.81×10-6/K升高到 16.78×1 0-6/K。研究了 Cu-B/diamond复合材料的界面结构对力学性能的影响规律。结果表明,Cu-B/diamond复合材料的力学性能随着硼含量的增加先上升后下降,在0.5 wt.%B时获得拉伸、压缩和弯曲强度最大值分别为204 MPa、608 MPa和513 MPa,相比未添加B元素的Cu/diamond复合材料得到很大提升。Cu-B/diamond复合材料力学性能的变化和界面粘合/结合强度密切相关,不连续的三角形碳化物能够强化界面结合,提高复合材料力学性能。计算表明,具有良好力学性能的Cu-0.5wt.%B/diamond复合材料的界面结合能相比未添加B元素的Cu/diamond复合材料高出两个数量级,说明界面结合的增强能够增加界面处的载荷传递效率,充分发挥金刚石颗粒的高强度和高刚度特点,提高Cu-B/diamond复合材料的力学性能。通过对不同硼含量的Cu-B/diamond复合材料的热物理性能、力学性能和热循环性能的评估发现,Cu-0.5wt.%B/diamond复合材料具有优异的热导率(722 W/mK)、与电子元器件相匹配的热膨胀系数(4.88×10-6/K)、满足电子封装所需求的较高力学性能(拉伸强度204 MPa)和稳定的热循环性能,因此该复合材料在电子封装散热材料领域具有潜在的应用前景。