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       作者：Chih-Yu Chung, Mu-Tse Lee, Min-Yen Tsai, Chao-Hung Chu, Su-Jien Lin
       摘要：利用传统粉末冶金法制备的金刚石/Cu复合材料的热导率比较低，这是由金刚石和铜胎体之间的可湿性较差所致。本研究则提出了一种简单可行成本较低的金刚石-金属复合材料的制备方法。本文利用不同粒度和体积分数的金刚石在1373K下无压烧结30分钟从而制备出金刚石/Cu-Ti复合材料并对其热性能进行研究。本实验制备出的复合材料的热导率高达608W/m K，双峰金刚石/Cu-2 at.% Ti复合材料，有50 vol%的粒度为300 μm、10 vol%的粒度为150 μm的金刚石颗粒组成。实验得到5.4×10-6 1/K热膨胀系数，该值和Hasselman-Johnson模型（结合扩散错配模型）计算出的热导率值匹配度高达92%。该模型计算出的预测值和实验测量值一致性较好。此外，无压烧结的工艺要求简单，设备成本低廉，使得金属胎体复合材料的制备经济可行。
关键词：无压烧结,热膨胀系数,热导率,金刚石/Cu界面,金属胎体复合材料
1、引言
       随着设备功率的增大和集成度的提高，微电子热管理技术越来越重要，而高热导率材料的研发则迎合了这种技术需求。Zweben和Katsuhito等人对传统散热材料的热导率（200 W/m K以上）和热膨胀系数（4-6×10-6 1/K）进行了研究。
       金刚石的热性能好，化学、机械稳定高，是优良的散热材料。天然金刚石虽然拥有最大的热导率（2000W/m K），但由于天然金刚石的成本高昂而不适宜工业制备用。人造金刚石的制备成本低，热导率高达1200-2000W/m K，适宜用于热管理设备材料的制备。
       金刚石在热管理方面的应用已经在CVD涂层领域得以实现。但由于镀附在衬底上的金刚石薄膜太薄而不足以有效散热，制备大尺寸的金刚石材质又存在一定的技术困难。既能利用金刚石的热性能又要制备出足够大小的材料，这就需要金刚石技术结合某些高热导率的金属材料，如银、铜或铝。一些研究利用高压技术来制备出了高热导金刚石/金属复合材料，但需要用到昂贵复杂的设备，如热压、气压浸渗、放电等离子体烧结等。本论文利用无压烧结工艺制备金刚石/Cu复合材料，并采用钛作为添加剂以改善金刚石/Cu界面的可湿性。这是一种可以实现量化生产的低成本工艺。实验结果证明无压烧结工艺适宜制备金刚石/Cu-Ti复合材料。
2、实验
       胎体材料为铜粉和钛粉。铜粉粒度5μm，纯度99.9wt.%；钛粉粒度35μm，纯度99.9wt.%。金刚石粉末做增强材料，粒度150μm、300μm，热导率1800 W/m K。
       将铜粉、金刚石粉和钛粉混合，在700MPa压力下将混合粉末压制成高3mm，直径12.9mm的复合材料，时间为10分钟。然后将其放入充入氢气（100sccm）的真空炉（1.8torr）中30分钟，温度1373K。
       利用扫描电镜（SEM, JEOL-5410）和X射线衍射仪（XRD,Rigaku_D/DMAXIIB）对复合材料的微观图和元素组分进行分析。利用阿基米德原理求得材料的密度；通过对比理论密度和实验测量密度求得复合材料的相对密度。复合材料的理论密度为金刚石/Cu-Ti三种粉末的理论密度的平均值，如表一所示。利用激光闪射测试仪（LFA, Netzsch-LFA 447）测得热导率。利用升温速率为3K/min的热分析仪（TMA, Seiko-SSC5200）测得热膨胀系数。利用聚焦离子束（FIB, FEI-Nova 200）技术用于制备透射电子显微镜（TEM, JEOL-JEM3000F）试样。对试样进行TEM观察，以研究分析金刚石/Cu界面......