0 文章信息
1 研究背景
随着信息技术的飞速发展，电子设备正变得越来越小型化、集成化。然而，这种进步也带来了一个严峻的问题——设备过热。热量的有效管理成为了电子设备性能和寿命的关键因素。在此背景下，北京科技大学能源与环境工程学院孙方远副教授研究团队在《Composites Part B》上发表了一项突破性研究，通过在铜/金刚石复合材料中引入碳化硼（B4C）中间层和优化界面粗糙度，显著提升了材料的界面热导性，为电子设备的热管理提供了新的解决方案。
2 研究对象
研究团队选用了铜作为基体材料，金刚石作为增强相，因为铜具有高热导率和成本效益，而金刚石则以其极高的热导率和低热膨胀系数著称。然而，铜和金刚石之间的化学润湿性差，界面结合力弱，限制了复合材料的理论热性能。为了解决这一问题，研究人员引入了B4C中间层，这种中间层不仅增强了界面粘接，还作为声子传输的桥梁，有效提高了界面热导。
图1透射电镜横断面图像
3 实验方法
研究中，团队采用了先进的Autinst Pioneer ONE时间域热反射（TDTR）系统，对不同粗糙度的金刚石表面与铜之间的界面热阻进行了精确测量。TDTR技术以其卓越的时间和空间分辨率，成为微纳尺度热传输现象研究的重要工具。通过泵浦-探测光学方法，TDTR系统能够产生激光脉冲，通过测量样品表面的反射率变化来推断表面温度变化，从而提取界面热导。
图2 TDTR系统原理图
4 研究结果
实验结果表明，引入B4C中间层后，界面热导（ITC）显著增加，当B4C层厚度为三层（约）时，ITC达到，比未改性界面高出14.1倍。此外，通过创建三维正弦波形粗糙界面，研究人员发现增加界面粗糙度可以进一步增强热传递效率，直至达到声子热导的饱和点。
这项研究不仅在实验上取得了突破，还通过分子动力学（MD）模拟进一步验证了实验结果，为界面热导的优化提供了理论支持。研究结果对于设计和制造高性能热管理材料具有重要意义，尤其是在电子封装和热界面材料领域，有望实现更高效的热管理，提升设备性能和可靠性。
图3 不同粗糙度下ITC的TDTR值
图4 (a)不同B4C层数和不同界面结构下ITC的稳态温度分布 (b)Cu与金刚石之间的ITC与B4C厚度的关系
图5 界面几何形状对稳态温度和界面热导的影响和不同界面结构下的重叠能和界面热导 (a)界面热导为频率的函数(b)界面热导为振幅的函数 (c)频率变化(d)振幅变化
5 应用前景
本文通过实验和模拟研究了铜/硼碳化物/金刚石复合材料界面热导提升机制，对高性能电子设备散热管理有重要应用，如CPU散热器、功率器件热沉等，提高散热效率、稳定性和使用寿命。界面优化策略可推广至其他金属基复合材料，为航空航天、军事技术、微电子提供热管理方案。精确控制界面粗糙度和中间层厚度可提升热传导效率，对技术发展和应用具重要意义。
论文信息：Shuai Cui, Fangyuan Sun et al. Composites Part B 287 (2024) 111871
