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       金刚石因其极高的热导率（约 2000 W/(m・K)）成为高热导复合材料的理想增强相，但传统金刚石-金属复合材料存在界面润湿性差、材料密度高等问题。近年来，金刚石非金属复合材料凭借低密度、界面相容性优化等优势逐渐成为研究热点，为高热导材料设计提供了新方向。本文将重点介绍几类重要的金刚石非金属复合材料及其性能特点。

       金刚石-碳酸盐复合材料

       在高温高压（2100 °C, 8 GPa）条件下制备的金刚石-CaCO₃和金刚石-CaMg(CO₃)₂复合材料展现出增强的金刚石-碳酸盐界面结合力（图a）。这类复合材料具有优异的电绝缘性，表明其热传导主要通过声子机制实现。得益于金刚石颗粒间的高度相互连接，其热导率可达540 W/(m·K) 。研究指出，通过优化制备条件（如更高的温度和压力），其热导率仍有提升空间。

        先进金刚石非金属复合材料作为热扩散器。（a）金刚石非金属复合材料的显微图像（基体填料I：CaCO₃ ，II：CaMg(CO₃)₂ ，III：SiC ）。（b）金刚石环氧复合材料的三维结构。(c) 钻石与环氧树脂基体之间的电荷转移模式。 (d) 钻石硅复合材料的结构 。(e)材料结构设计的示意图 。(f)金刚石Si₃N₄复合材料与其他材料的热散逸红外图像。(g)NCMC与CMC热散逸红外图像的比较。

       金刚石-环氧树脂复合材料

       金刚石-环氧树脂复合材料在均匀电场中表现出较低的相对介电常数和良好的力学性能（图b），这使其在加热工况下具备优异的耐高压能力。值得注意的是，此类复合材料通常使用未经物理或化学表面处理的金刚石颗粒，有效避免了金刚石-环氧树脂界面处的电荷聚集现象。如图c所示，环氧树脂基体与金刚石的能带结构发生反向弯曲，降低了电子转移的势垒高度，从而促进了自由电荷的迁移。与纯环氧树脂相比，复合材料的导热能力显著增强。

       金刚石-玻璃复合材料

       以金刚石颗粒和低熔点硼硅酸盐玻璃为原料制备的金刚石-玻璃复合材料，在烧结过程中熔融玻璃能快速包裹金刚石颗粒，促进坯体快速致密化。研究发现，当与约30 μm的金刚石颗粒复合时，材料可获得最佳的致密度。这种结构有利于形成高效的热传导路径。此外，此类复合材料的热膨胀系数（CTE）约为4.35 ppm/K，与常见的芯片材料具有良好的匹配性。

       4. 金刚石-碳化硅/硅复合材料

       金刚石-碳化硅（SiC）复合材料具有广阔的应用潜力，这源于SiC本身的高热导率（如6H-SiC可达490 W/(m·K)）和低热膨胀系数（如3C-SiC约为3.5 ppm/K）。该复合材料通常通过金刚石与硅（Si）的反应（如熔融硅浸渗法）来制备，能形成强界面结合。研究表明：

       SiC倾向于优先在金刚石(111)晶面上形成。

       当金刚石表面被SiC完全覆盖时，碳的扩散会受到阻碍，从而限制SiC的进一步形成速率。

       在金刚石/SiC界面有时会观察到一层薄石墨层，表明SiC可能通过石墨层的异质成核形成，而非直接在金刚石表面生成。这种快速、自发的反应过程可能导致界面处存在高密度晶体缺陷，影响最终致密度。

       熔融硅浸渗法是制备金刚石-SiC复合材料的常用技术：

       He等利用此法制备的复合材料中，冷却时残余硅的膨胀有助于致密化过程，金刚石与基体结合紧密（图a）。

       增大金刚石颗粒尺寸（如300 μm）可减少反应面积，降低SiC含量，增加残余硅含量。虽然残余硅不利于导热且会降低弯曲强度（因SiC增强作用减弱），但大颗粒金刚石间形成的直接高效热通道占主导，使热导率高达616 W/(m·K)。

       Zhang等证实该材料在高达700 °C的环境下仍具优异热稳定性，界面形成的SiC因其与金刚石声子谱更匹配，有利于界面热传导。

       Chen等结合光固化成型与反应熔融渗透技术，成功制备出具有高精度复杂结构的金刚石-SiC复合材料。通过颗粒级配优化降低孔隙率，实现了245 W/(m·K)的热导率和3.36 ppm/K的CTE，适用于硅芯片电子封装。

       Liu等创新性地采用多孔SiC泡沫作为骨架，将金刚石颗粒注入其孔隙中形成三维互连导热网络。这种方法降低了所需金刚石含量（26 vol%），成本效益显著，热导率达298 W/(m·K)。

       结构设计应用：

       Ansari等针对微处理器不同热流密度区域设计了分区散热材料（图d）：高热流区使用金刚石基复合材料，低热流区使用硅基材料。如图g所示，在不同热点尺寸下，复合微通道（CMC）结构比非复合微通道（NCMC）表现出更优的散热性能，热点温度更低，有效降低了电子芯片的温度不均匀性，为散热器设计提供了新思路。

       Li等开发了金刚石改性连续碳纤维增强SiC（C-SiC-Diamond）复合材料。金刚石的加入显著提升了热性能，热导率接近纯C-SiC复合材料的两倍，同时保持了约3.3 ppm/K的低CTE。

       金刚石-Si₃N₄复合材料

       Wu等采用钛（Ti）涂层金刚石颗粒与Si₃N₄粉末制备复合材料。在烧结过程中，金刚石表面的Ti层与基体反应形成TiC。同时，Si₃N₄中的部分氮（N）原子可能扩散进入TiC并部分取代碳（C）原子，形成钛碳氮化物（图e）。这种界面结构显著增强了界面结合强度和界面热导。最终复合材料的热导率达到202 W/(m·K)，比纯Si₃N₄提高了273%。红外热成像（图f）显示其散热性能优于传统陶瓷材料。其夹层结构设计实现了定向热传导特性。此外，Wolfrum等利用SiC涂层金刚石颗粒制备的金刚石-Si₃N₄复合材料也展现出强界面结合和优异的耐磨性。

       总结与展望

       金刚石非金属复合材料通过克服金刚石-金属体系固有的润湿性和密度问题，展现出在高性能热管理（尤其是电子封装散热）、电绝缘部件、精密结构件等领域的巨大潜力。研究重点在于优化界面工程（如涂层、反应控制）、探索新型基体、设计多级结构（如颗粒级配、泡沫骨架、功能分区）以及开发先进制备工艺（如熔渗、光固化结合反应烧结），以进一步提升其综合性能（热导率、力学强度、热匹配性、复杂结构成型能力）并降低成本。随着研究的深入，这类先进复合材料有望在下一代高功率密度电子系统中发挥关键作用。