金刚石/铜复合材料热膨胀与热传导的协同优化机理研究
批准号:
52071345
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
魏秋平
依托单位:
学科分类:
金属基复合材料与结构功能一体化
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
魏秋平
中文摘要
金刚石/铜复合材料是新一代电子封装热管理材料的研究热点。目前金刚石主要以颗粒形式均匀分布在铜中,国内外通过基体合金化和颗粒表面改性在改善界面结合、提高导热性能方面取得了较好发展,但受离散构型的制约仍未达到理想效果。本项目从构型设计、界面调控和制备工艺的协同优化出发,结合基体合金化和金刚石表面改性层设计,通过单晶/多晶金刚石自支撑片与铜复合将颗粒/连续金刚石与铜形成的微观界面放大到宏观尺度,研究金刚石/铜复合界面形成机制及其对界面热阻和热膨胀匹配的影响机理;通过金刚石颗粒、三维连续网络骨架及二者混杂增强的实验测试与理论计算,研究离散界面和连续界面对金刚石/铜复合材料热性能的作用机理。通过厘清上述两个关键科学问题,建立金刚石/铜复合材料的构-效关系,揭示金刚石/铜复合材料热膨胀与热传导的协同优化机理。本项目的顺利实施将为高导热、低热膨胀金刚石/铜复合材料的设计与制备提供新思路和实验理论依据。
英文摘要
Diamond/Cu composites have become the new research hotspot of the electronic packaging thermal management materials. At present, great progress has been made in improving interface bonding and enhancing thermal property by surface metallization and matrix alloying. However, the diamond reinforcements are mainly uniformly distributed in Cu matrix in the form of particles. Due to the restriction of isolated architecture, the composites still did not exhibit ideal thermal conductivity yet. In this project, the synergistic effect of architecture design, interface regulation and fabrication process has been investigated. By combining the surface metallization and matrix alloying methods, diamond particle/Cu and continuous diamond film/Cu interface will be investigated by the design of interface on the single-crystal and polycrystalline diamond plates. The formation mechanism of diamond/Cu interface and its influence on interfacial thermal conductance and thermal expansion matching will be clarified. Besides, through the experimental results and theoretical calculation of the thermal properties of diamond/Cu composites reinforced with diamond particles (DP), 3D continuous diamond networks (DN) and hybrid structure of DP/DN, the Influence mechanism of isolated interfaces and continuous interfaces on the thermal properties can be clarified. By illustrating the above two key scientific problems, the coupling mechanism between DP and DN on the thermal property of the diamond/Cu composites can be revealed, and the relationship between “architecture & interface” and “thermal property enhancement” can be established. This research will bring a new inspiration and theoretical basis for the design and fabrication of diamond/Cu composites with high thermal conductivity and low thermal expansion.
项目组围绕金刚石自支撑片与铜复合形成金刚石/界面层/基体的“三明治”结构,将曲折的微观界面放大到平面的宏观尺度,实现金刚石/铜复合界面各关联数据的表征量化。采用HFCVD和PVD技术制备金刚石/过渡层/铜“三明治”复合材料,结合有限元热应变仿真与第一性原理计算,阐明了界面形成机制对热膨胀匹配的影响规律,确定最佳表面金属化元素为W和Ti,通过高温润湿性研究,确定基体合金化元素为硼。在制备工艺方面,控制增强体参数和气压浸渗工艺,制备金刚石/铜硼复合材料,结合界面形貌以及激光闪光法测试,阐明了复合材料显微组织与热性能的定量关系。结果表明,浸渗气压越高,金刚石粒径越大,界面处碳化物更多,界面间空隙更少,界面结合情况更好,热导率就越高。基于以上研究,进一步强化界面结合性,以Zr、B为合金化元素与镀W金刚石进行复合,成功制备出高导热、高热稳定性的金刚石/铜复合材料。研究结果表明,与铜锆合金复合制备的金刚石/铜复合材料,热导率最大值达743W/mK,然而在100次冷热冲击下热导率下降将近20.7%,热稳定极差;然而,与铜硼合金复合制备的金刚石/铜复合材料,热导率最大值为683W/mK,在500次冷热冲击下热导率下降仅为8.23%,具有良好的抗冷热冲击效果。基于以上基体合金化和表面金属化耦合结果,项目组通过金刚石颗粒、金刚石三维连续网络骨架的有限元仿真,阐明了离散界面和连续界面对复合材料热性能的作用机制,进一步理清了金刚石/铜复合材料热膨胀与热传导的协同优化机理,为实现高导热、低热膨胀金刚石/铜复合材料的可控制备奠定基础。
颗粒BDD基三维电化学反应系统的构建及其协同响应机制
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批准号:2025JJ50328
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2025
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负责人:魏秋平
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依托单位:
掺硼金刚石泡沫电极的宏微观结构调控及其电化学性能研究
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批准号:2019JJ40375
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项目类别:省市级项目
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资助金额:0.0万元
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批准年份:2019
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负责人:魏秋平
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依托单位:
WC-Co(Cr)中间层扩散行为对钢基CVD金刚石涂层结合强度的影响
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批准号:51301211
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:25.0万元
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批准年份:2013
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负责人:魏秋平
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依托单位:
国内基金
海外基金