2020-10-23
毋庸置疑,具有獨特晶體結構和電子結構的高品級金剛石才會具備熱管理材料所要求的優異性質,如高熱導(990~2200W·m-1·K-1)、極低的熱膨脹系數(不超過1.0×10-6K-1)、低介電常數(約5.5)、高電阻率和擊穿場強(約1000kV/mm)。
金剛石顆粒熱導率:金剛石種類很多,不同品種間的性能差異很大。如天然IIa型金剛石在室溫下熱導率高達2200W·m-1·K-1;而人造單晶金剛石的熱導率,則根據其缺陷的多少而有所不同。
金剛石顆粒大小及其分布:L.Weber等人用不同粒度金剛石與Ag-Si制備復合材料,發現當原料為MBD4級時,隨粒徑的增大復合材料熱導率逐漸增大,當粒徑超過200μm時,熱導率達到800W·m-1·K-1。此后,復合材料熱導率隨金剛石粒徑增大而下降。而采用高品質金剛石時,復合材料熱導率逐漸增大,金剛石粒徑增大到300μm以上時熱導率仍可保持在800W·m-1·K-1的水平上。
金剛石晶型:人造金剛石晶型越完整,其熱導率越高。Flaquer等人通過線性追蹤法及Hasselman-Johnson模型對金剛石的體積分數、顆粒尺寸尤其是晶型進行了建模分析,發現當金剛石晶型為正六面體時,復合材料的熱導率達到最大值,此后熱導率無明顯變化。
金剛石主要靠聲子導熱,其聲子平均自由程由聲子間的相互碰撞和固體中缺陷對聲子的散射決定。金剛石中的雜質元素、位錯和裂紋等晶體缺陷,殘留金屬催化劑及晶格位向等因素都會與聲子發生碰撞使其發生散射,從而限制了聲子的平均自由程,降低熱導率。復合材料導熱時,聲子、電子導熱及聲子-電子的相互作用對復合材料熱導率的影響更為復雜,主要包括以下方面:
化學成分:化學組分越復雜,雜質含量越多,材料熱導率降低越明顯。這是由于第二組分和雜質的引入會引起晶格扭曲、畸變和位錯,破壞晶體的完整性,增大聲子或電子的散射幾率。
內部缺陷:材料中各種缺陷都是引起聲子散射的中心,會降低聲子平均自由程和材料熱導率。單晶中的雜質、位錯、裂紋等晶格缺陷以及復合材料中的氣孔等都會增大聲子散射幾率。
晶體結構:單晶結構越復雜,導熱系數越低。多晶在結構上的完整性和規則性都比較差,加上晶界上雜質和畸變等因素都會使聲子散射增加。
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