近年來，隨著微電子技術(shù)和第三代半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)代電子器件正朝著高度集成化、多功能化和高功率化的方向發(fā)展。然而，這種發(fā)展也帶來了一個嚴(yán)重的問題，即器件發(fā)熱量的急劇增加。這個問題直接影響到電子器件的工作穩(wěn)定性、安全可靠性和使用壽命。在我國核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，尤其是 在電子信息和通信領(lǐng)域，散熱問題已經(jīng)成為一個瓶頸。

為了解決電子器件的散熱問題，需要先進(jìn)的熱管理材料和制備技術(shù)。其中，金剛石增強(qiáng)銅基復(fù)合材料是目前應(yīng)用最廣泛的熱管理材料之一。這種復(fù)合材料利用金剛石強(qiáng)化相的高熱導(dǎo)率和低熱膨脹系數(shù)，以及銅基體材料的優(yōu)異導(dǎo)熱導(dǎo)電性能和良好的機(jī)械加工性能，具有很多優(yōu)勢。因此， 在航空航天、電子器件和國防軍用等高端技術(shù)領(lǐng)域，金剛石增強(qiáng)銅基復(fù)合材料得到了廣泛應(yīng)用。

目前，金剛石增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備主要采用固態(tài)制備方法和液態(tài)制備方法。這些方法 需要在高溫高壓的條件下進(jìn)行，不僅制造成本高，而且制造效率低下。 此外，復(fù)合材料樣品的尺寸還受到加工模具和高溫加熱設(shè)備內(nèi)部空間的限制。

為了克服上述問題， 超聲波增材制造方法成為一種理想的選擇。 這種方法屬于低溫制造方法，具有加工溫度低、工藝設(shè)計自由度高、清潔高效等優(yōu)勢。通過超聲波增材制造方法，可以降低金剛石增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制造成本，并實現(xiàn)復(fù)雜幾何形狀的制造。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)張洪濤教授和何鵬教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊通過 對金剛石增強(qiáng)相顆粒的表面金屬化處理和空間位置約束，并在超聲波低溫固結(jié)技術(shù)下實現(xiàn)了金剛石強(qiáng)化相顆粒在層壓復(fù)合材料中穩(wěn)定存在及其復(fù)合材料的自由成形和加工制備。 相關(guān)成果以Microstructure and interface evolution of diamond/Cu composites prepared via ultrasonic additive manufacturing (UAM)為題發(fā)表在Journal of Materials Research and Technology期刊上。

首先，為了解決復(fù)合材料預(yù)制帶制備過程中金剛石顆粒對基體金屬層間導(dǎo)電性能的影響，需要對金剛石顆粒進(jìn)行預(yù)處理，在其表面形成導(dǎo)電涂層。該鍍層同時可以有效改善金剛石與金屬基體材料的界面結(jié)合，抑制金剛石與金屬基體之間的不利反應(yīng)，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化材料導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能的目的。本文采用熔鹽法對金剛石進(jìn)行表面鍍鉻處理，最終在金剛石顆粒表面形成了均勻、完整的鉻鍍層。

其次，通過設(shè)計三維柵格結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了金剛石強(qiáng)化相顆粒在復(fù)合材料層間的空間約束和固定。銅網(wǎng)呈現(xiàn)均勻、規(guī)則的編織結(jié)構(gòu)，每個柵格空間均為獨立的正方形結(jié)構(gòu)，在預(yù)制帶制備過程中通過手工鋪粉的方式，形成了每個柵格內(nèi)只填充一顆金剛石顆粒的理想結(jié)構(gòu)。

隨后，團(tuán)隊利用電阻焊工藝構(gòu)建“三明治”結(jié)構(gòu)金剛石增強(qiáng)銅基復(fù)合材料預(yù)制帶，鍍鉻金剛石顆粒與銅箔基體形成了一定強(qiáng)度的連接。

最后，以預(yù)制帶作為復(fù)合材料疊層制備的原材料結(jié)構(gòu)單元，實現(xiàn)了鍍鉻金剛石/銅復(fù)合材料的超聲波固結(jié)制備，該復(fù)合材料實現(xiàn)了金剛石與銅之間的優(yōu)異結(jié)合，且熱導(dǎo)率達(dá)到428.07 W/m·K。

總之，隨著電子器件發(fā)展的需求，熱管理材料的研究和制備技術(shù)的發(fā)展變得尤為重要。金剛石增強(qiáng)銅基復(fù)合材料以其獨特的性能在高端技術(shù)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。超聲波增材制造方法作為一種低溫制造方法，能夠有效解決制備過程中的一些問題，為金剛石增強(qiáng)銅基復(fù)合材料的制備提供了新的途徑， 團(tuán)隊提出的金剛石增強(qiáng)銅基復(fù)合材料快速短流程超聲固相增材制造工藝為顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料制備提供了新的工藝思路，對熱管理類材料的發(fā)展和我國核心技術(shù)產(chǎn)業(yè)的進(jìn)步具有重要意義。

內(nèi)容作者：杜榮茂

來源：天天老師說科研，編輯：張維官，審核：王穎