金剛石/鋁高連通度複合構型調控及其導熱機理研究

《金剛石/鋁高連通度複合構型調控及其導熱機理研究》是依託上海交通大學，由譚占秋擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：金剛石/鋁高連通度複合構型調控及其導熱機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：譚占秋
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

高導熱金剛石/鋁複合材料是未來最具套用潛力的新型熱管理材料，目前製備的金剛石/鋁複合材料中的金剛石都呈均勻分布，材料導熱性能仍未達到理想的複合效果。金剛石呈高連通度分布的非均勻複合構型，通過改變熱流傳導路徑，改善金剛石與鋁基體的載流配置，可望提高複合材料熱導率。本項目從複合材料構效關係出發，以相同體積含量下最大限度發揮金剛石的導熱增強效率為目標，採用離散元軟體模擬分析複合粉末的空間堆垛規律，通過調控粉末粒徑比，獲得最佳金剛石連通度的複合構型，系統研究金剛石連通度對金剛石/鋁界面結合狀態與材料熱導率的影響規律。同時，採用同步輻射光源位相襯度顯微斷層技術，原位無損觀察金剛石的三維空間分布狀態，揭示金剛石連通度與金剛石/鋁界面結合對材料導熱性能的耦合回響機理，為高導熱金屬基複合材料的研發提供理論依據和技術支撐。

結題摘要

高導熱金剛石/鋁基複合材料（Dia/Al）是未來最具套用潛力的新型輕量化熱管理材料，但以往製備的均勻構型複合材料導熱性能有待提高（一般為60-90%理論值）。針對金剛石/鋁基複合材料高效熱傳導與複合構型化的科學問題，本項目首先採用離散元軟體模擬分析了兩種剛性球形粉末的空間堆垛規律，通過調控粉末粒徑比（PSR）獲得了最佳增強體連通度和最高熱導率的複合構型，進而採用熱壓燒結技術實驗驗證了PSR對金剛石的空間分布狀態與材料熱導率的影響規律，並探討了其變化原理與機制。 離散元模擬結果表明，隨PSR從0.2增加到1，不同體積比例的球形顆粒堆垛後增強體連通度與計算的熱導率均顯著增大。實驗結果與同步輻射成像分析表明，隨PSR從PSR0.225增加到0.9，40-50vol.%Dia/Al複合材料緻密度與界面結合狀態基本相當，但金剛石連通度與複合材料熱導率也逐漸增大。當PSR由0.225增加到0.9時，40vol.%Dia/Al熱導率由389 W/mK增加到472 W/mK（達到近100%理論值），增幅達21%；50vol.%Dia/Al熱導率由442W/mK增加到628W/mK（達到理論值的110%），增幅高達41%。因此，通過構築非均勻複合構型，調控金剛石連通性，可達到甚至突破複合材料的理論熱導率。金剛石連通度取決於其周圍金屬粉末的配位數，配位數越低金屬粉末越粗大越少，就更難將金剛石分隔開而呈現高連通；高連通度金剛石提高複合材料熱導率，則與金剛石聲子自由程高、易於實現顆粒間聲子傳播、降低界面熱阻有關。本項目通過金剛石連通度與非均勻構型複合化研究，為高導熱金屬基複合材料的研發提供理論依據和技術支撐。