金剛石被譽為是世界上最硬的物質，擁有十分特殊，非比尋常的物理、機械和光學特性。但別忘記，它同時還擁有極為出色的導熱性能。不同于金屬依靠外圍電子進行傳熱，金剛石依靠的是聲子（phonon）——當物質的成分越單純、結構越簡單、雜質越少時，聲子運動就越快，傳熱速率也就越快。

備注：鉆石的組成只有單一元素碳，結構也十分簡單。Ia、Ib、IIa 及 IIb 4 種鉆石中，IIa 最純凈、雜質最少，因此擁有最高的傳熱速率，導熱系數高達 26 watt/K-cm，比傳熱最快的金屬銀、銅還要快 6～7 倍。

以前在珠寶店購買鉆石飾品時，顧客如果擔憂鉆石的真假，有部分老板會讓顧客用舌尖舔一下，并告知“如果感覺舌尖涼涼的，就是真鉆；如果暖暖的，就只是玻璃”。這個過程其實就是用舌尖當做探針，在寶石上做一次導熱系數的比較實驗。因為玻璃的導熱系數很小，只有0.008 watt/K-cm，而真鉆的傳熱速率高達玻璃的千倍以上，因此感覺靈敏的舌尖的確很容易分辨兩者的差異。

除此之外，金剛石還具有高電阻率和高擊穿場強、低介電常數、低熱膨脹等特點，因此被科學家認為是一種能夠滿足飛速發展的電子工業對熱管理的超高要求的理想熱管理材料（包括熱沉材料、封裝材料，基體材料等）。但再好的才能也要發揮出來才有意義，具體金剛石該如何使用的，下面便來一起看看。

一、金剛石在導熱領域的應用

目前，金剛石在熱管理材料上的應用主要有兩種形式，即金剛石薄膜和將金剛石與銅、鋁等金屬復合制成復合材料。

雖然金剛石薄膜在熱導率上較其它材料優勢明顯，但由于金剛石薄膜的低熱膨脹，難與金屬潤濕、焊接等特點，導致金剛石薄膜與其它器件和焊料的組裝及應用過程中受到了很大限制。而將金剛石與銅、鋁等金屬復合，就可通過調節金剛石體積分數實現高熱導和可調熱膨脹，滿足系統散熱和組裝工藝的要求，因此“復合”成為了金剛石在熱管理材料上的主要應用形式。

熱管理材料的熱物理性能

雖然與金屬復合的材料有不止一種的選擇，但它們要不就是熱膨脹不匹配，要不就是熱導率很低，都不太能滿足散熱要求的發展。借此優勢，金剛石成為國內外熱管理材料中的新寵，被譽為第三代熱管理材料。上圖是由Zw eben總結的關于常用熱管理材料熱物理性能（包括熱導率和熱膨脹系數）的統計圖表，感興趣的可以對比看看。

二、影響金剛石-金屬復合材料熱導率的因素

金剛石-金屬復合材料熱導率不僅與基體和增強相的熱導率、增強相體積分數、顆粒大小及分布狀態等宏觀因素有關，還與界面結合狀態、晶體缺陷等微觀因素有關。

1.基體性質

常用基體通常有銅、鋁、銀等，熱導率較高，但熱膨脹系數遠遠大于Si、GaAs等材料。金屬熱導率與其純度有關，高純銅熱導率較工業純銅高很多。添加合金元素對改善金屬和金剛石界面粘結有作用。

SPS燒結的金剛石-銅復合材料斷面形貌 (a)未鍍；(b)鍍Cr

2.金剛石性質

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)。

①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2200 W·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。

②金剛石顆粒大小及其分布：L.W eber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800 W·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800 W·m^-1·K^-1的水平上。

④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。

3.宏觀因素

宏觀上講，金剛石基復合材料的導熱能力取決于金剛石體積分數、顆粒大小及分布等因素。比如說金剛石體積分數，下圖是Katsuhito等人采用高溫高壓法制備的金剛石-Cu復合材料熱物理性能。顆粒尺寸90~110μm、體積分數為70%時復合材料熱導率最高可達742 W·m^-1·K^-1，CTE可控制在4~9×10^-6 K^-1。復合材料熱導率與金剛石體積分數及金剛石顆粒大小相關，而熱膨脹系數僅與金剛石體積分數有關。

金剛石/Cu復合材料與體積分數的關系

(a)熱導率； ( b)熱膨脹系數

4.微觀因素

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：

①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。

②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。

③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。

總結

到目前為止，金剛石熱管理材料研究與應用已取得較大進展，其熱物理性能不斷提升。考慮到金剛石的熔點接近攝氏4000度，而且不受強酸、強堿等化學藥劑的侵蝕，它應該相當適合用于需要在嚴苛條件下操作使用的高精密電子儀器中。

資料來源：

金剛石熱管理材料的研究進展，宋月清，夏揚，謝元鋒，林晨光，郭志猛，曲選輝。

了不起的結晶–金剛石，余樹楨。

粉體圈 NANA整理