硅包覆金刚石/铝复合材料的制备与性能研究

来源 :湖南大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:liongliong432
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随着电子器件向着小型化、轻量化、高功率密度方向发展,电子器件单位面积内发热量急剧增加,电子器件的安全性、可靠性、高效运行受到了严重的影响。因此,急需开发新一代高热导率、低热膨胀系数、低密度的热管理材料,来保证电子器件的有效散热。轻质金刚石/铝复合材料由于具备优异的热物理性能,已成为新一代热管理材料的研究热点。然而采用熔渗法制备的金刚石/铝复合材料,其界面易形成脆性易潮解的界面产物Al4C3,为其在潮湿环境下的使役稳定性埋下了隐患。为了抑制易潮解相Al4C3的生成,获得高导热且稳定性好金刚石/铝复合材料,本文通过磁控溅射及退火处理的方法将纯硅、铝硅及碳化硅包覆层预置在金刚石表面,采用压力熔渗法制备了金刚石/铝复合材料,系统研究了复合材料在潮湿环境下的失效行为以及不同包覆层对复合材料的导热性能和稳定性的影响,主要研究结果如下:(1)泡水处理后,界面产物Al4C3水解成疏松的絮状水解产物Al(OH)3,界面热阻上升,导致复合材料的失效。经过500 h的泡水处理,复合材料的热导率以高斯函数的形式下降,从590 W·m-1·K-1降低至457 W·m-1·K-1,下降了22.54%。(2)采用磁控溅射的方法将纯硅包覆在金刚石表面,制备了不同包覆层厚度的纯硅包覆金刚石/铝复合材料。硅包覆层的引入,阻止了金刚石与铝液的直接接触,减少了界面产物的生成,提高了复合材料在潮湿环境下的稳定性。但同时也恶化了界面粘结强度,降低了复合材料的热导率。随着纯硅包覆层厚度从85 nm增加至943 nm,复合材料的热导率从576 W·m-1·K-1降低至456 W·m-1·K-1。泡水处理后,热导率下降率从19.62%降低至3.07%。(3)采用双靶共聚焦的形式,在金刚石表面沉积了多种成分的铝硅复合包覆层。相比于纯硅包覆层,铝硅复合包覆层作为界面层时,在一定程度上,既能改善金刚石与铝基体的润湿性,提高复合材料的热导率,同时也减少了金刚石与铝液的接触面积,提高复合材料的稳定性。铝硅复合包覆层作为界面层时,复合材料能保留较高的热导率,但是铝硅复合包覆的金刚石/铝复合材料的稳定性比纯硅包覆的要差。随着包覆层中硅含量从73 wt.%降低至22 wt.%,复合材料的热导率从507 W·m-1·K-1提高至582 W·m-1·K-1。泡水处理后,热导率下降率从7.10%提高至18.38%。(4)提出了一种低温下在金刚石表面形成碳化硅的新方法,结果表明碳化硅的形成温度可降至750℃,避免了金刚石的石墨化,并且Al4C3是低温形成SiC的重要中间相。碳化硅作为界面层时,避免了铝基体选择性粘结现象,铝基体均匀的粘结在金刚石的{100}和{111}面,同时界面产物的含量也得到了减少。复合材料的热导率可达666 W·m-1·K-1,泡水处理后,热导率只下降了6.31%,表现出高热导率和高稳定性。
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