張 荻，譚占秋，熊定邦，李志強

(上海交通大學材料科學與工程學院 金屬基復合材料國家重點實驗室，上海 200240)

1 前 言

隨著電子技術向高功率、高頻率、微型化、集成化方向快速發(fā)展，電子元器件的功率密度攀升，產(chǎn)生的熱量劇增，傳統(tǒng)的W-Cu、Mo-Cu金屬及Al2O3、AlN、BeO陶瓷等熱管理材料已不能滿足當前電子封裝對結(jié)構(gòu)功能一體化、高效散熱及綠色環(huán)保的綜合發(fā)展要求，對其正常工作效率和使用壽命構(gòu)成巨大威脅[1, 2]，尤其是以高功率的絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)、微波、電磁、光電等器件為典型應用的高科技技術領域和以有源相控陣雷達、高能固體激光器等為典型應用的國防技術領域的迫切應用需求[3, 4]。電子封裝對熱管理材料性能的總體要求包括[5-7]：① 熱膨脹系數(shù)(CTE)與半導體材料(硅、砷化鎵、氮化鎵)匹配或接近：減小與半導體之間的熱應力，避免熱應力失效；② 高熱導率：能將半導體產(chǎn)生的熱量及時均勻化并散除到環(huán)境中；③ 足夠的強度、剛度和韌性：對半導體和器件起到良好的支撐和保護作用；④ 高氣密性：抵御外部高溫、高濕、腐蝕或交變條件等有害環(huán)境，構(gòu)筑高可靠性工作空間；⑤ 成型性與表面控制：易加工成型或可近終成形，并滿足表面質(zhì)量控制要求(鍍金、粗糙度、平整度等)；⑥ 輕質(zhì)化：密度盡可能低，利于器件的結(jié)構(gòu)輕量化設計；⑦ 其他特殊要求：如功能特性要求(電磁/射頻/輻射屏蔽、導電/絕緣等)，成本控制與競爭性要求(成品率高、適于批量生產(chǎn)、價格低等)。

金屬基復合材料(MMCs)，通過將高導熱、低熱膨脹系數(shù)的顆粒、纖維或片狀增強體與較高熱導率、高熱膨脹系數(shù)的鋁、銅、鎂或銀等金屬復合，從而可集成熱導率高、熱膨脹系數(shù)可調(diào)的優(yōu)異物理性能和高剛度、高強度、高韌性的力學性能，從而滿足不同電子封裝的苛刻要求，是現(xiàn)代最具競爭優(yōu)勢的新型熱管理材料[1]。熱管理用金屬基復合材料選用的增強體主要是各種形式的碳材料(碳纖維、熱解石墨、金剛石顆粒)、碳化硅顆粒、硅顆粒等，金屬基體則以鋁、銅為主。本文重點針對鋁基、銅基、鎂基復合材料的性能特點，綜述其產(chǎn)業(yè)化與應用現(xiàn)狀，為熱管理用金屬基復合材料的未來發(fā)展提供參考。

2 金屬基復合材料熱管理應用現(xiàn)狀

2.1 鋁基復合材料

鋁基復合材料在金屬基復合材料中發(fā)展最成熟，主要包括硅/鋁(Sip/Al)、碳纖維/鋁(Cf/Al)、碳化硅/鋁(SiCp/Al)、金剛石/鋁(Diamond/Al)等，不僅比強度、比剛度高，而且導熱性能好、熱膨脹系數(shù)可調(diào)、密度低，在航空航天、交通運輸及其他移動系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)輕量化應用領域極具競爭優(yōu)勢[8]，尤其是Sip/Al和SiCp/Al復合材料在國內(nèi)外已得到廣泛應用。

2.1.1 Sip/Al復合材料

Sip/Al復合材料，應用單位中多稱為高硅鋁合金，實際上是一種Si顆粒與Al或Al-Si合金的復合材料，其獨特優(yōu)勢在于較好的機械加工性、電鍍和釬焊性能[9]，圖1給出了為國內(nèi)企業(yè)生產(chǎn)的形狀各異、加工量不同的Sip/Al復合材料產(chǎn)品照片，表面已經(jīng)電鍍處理[10]。Sip/Al復合材料主要制備方法包括噴射成形法、粉末冶金法、壓力熔滲法等，在文獻里已有較全面的綜述[9, 11]。隨硅含量增加，Sip/Al復合材料密度、熱膨脹系數(shù)與熱導率一般均下降，如表1所示。

圖1 Sip/Al復合材料產(chǎn)品[10]Fig.1 Typical products of Sip/Al composites[10]

CompanyModelSi/(vol%)TC/(W·m-1·K-1)CTE/(×10-6 K-1)Density/(g·cm-3)Sandvik Materials TechnologyCE115014911.02.5CE9601299.02.45CE7701207.42.AlSi505014011.52.50R.S. TechnologyAlSi6060125102.46AlSi70701207.52.43Aavid ThermacoreAlSi40126152.53Hunan Aerospace Chengyuan Precise Machniery50 Si-Al5014511.32.5060 Si-Al601269.12.4770 Si-Al701137.42.43Tianjin Baienwei New Material TechnologyAlSi505014011.52.50AlSi70701207.52.43Xi’an Trusung Advanced MaterialAlSi—110～1507.5～13.5—

Sip/Al復合材料最早由歐盟啟動的BRITE/EURAM研發(fā)項目推動，在英國Osprey Metal、Alcatel Space和GEC-Marconi公司的通力合作下，采用噴射沉積技術及后續(xù)加工技術，通過控制Si的體積分數(shù)，形成了熱導率為120～150 W/(m·K)、CTE為(7～11)×10-6/K的CE系列合金(CE，controlled expansion)。目前英國Sandvik Materials Technology公司制備的Osprey CE alloys系列Sip/Al復合材料已成為世界上性能最成熟的熱管理用鋁基復合材料，在軍備、航空、航天電子產(chǎn)品封裝領域大量應用，并最早實現(xiàn)商品化。日本住友公司采用粉末冶金法研制的Si體積分數(shù)為30%～60%的Sip/Al復合材料，在日本、美國、歐洲發(fā)達國家軍用通信電子設備的器件封裝中也獲得批量應用[9]。

國內(nèi)市場上，天津百恩威新材料科技有限公司、湖南航天誠遠精密機械有限公司、西安創(chuàng)正新材料公司、江蘇豪然噴射成形合金有限公司等均生產(chǎn)Sip/Al復合材料產(chǎn)品。然而，由于體積含量50%～70% Sip/Al復合材料的熱導率僅為120～140 W/(m·K)，逐漸限制了其在高端功率密度電子器件領域的應用。

2.1.2 SiCp/Al復合材料

SiCp/Al復合材料是研究最多、應用最廣泛的鋁基復合材料[5]，其復合制備、電子封裝特性與熱管理應用效益已有較多綜述[12-14]。SiCp/Al復合材料一般由體積分數(shù)55%～70%的SiC顆粒與鋁或鋁合金復合而成，熱膨脹系數(shù)為(6～9)×10-6/K，與半導體匹配較好，熱導率為160～200 W/(m·K)(少數(shù)宣稱高于240 W/(m·K))，比Sip/Al復合材料高30%以上，密度(2.9～3.1 g/cm3)比Sip/Al復合材料高20%，機械加工能力較Sip/Al復合材料顯著變差，但仍可采用金剛石刀具進行加工。隨SiC顆粒體積分數(shù)增加，SiCp/Al復合材料熱膨脹系數(shù)下降，密度和熱導率增加。

美國鋁業(yè)Alcoa自1980年起致力于鋁基復合材料的研究，并成功將體積分數(shù)70%～73%的SiCp/Al復合材料用于半導體封裝，提高了封裝的可靠性和散熱能力。美國DWA Aluminum Composite、英國Aerospace Metal Composites (AMC)較早采用粉末冶金法制備SiCp/Al復合材料，美國Thermal Transfer Composites (TTC)、II-IV M Cubed Technologies則采用無壓熔滲法制備SiCp/Al復合材料，均具備規(guī)模生產(chǎn)能力和穩(wěn)定豐富的產(chǎn)品系列。日本DENKA電化株氏會社和美國CPS公司是目前世界上規(guī)模最大的兩家SiCp/Al復合材料基板產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，占據(jù)了行業(yè)絕大部分的市場份額。

早在20世紀，由TTC研制的SiCp/Al復合材料就率先被美國休斯公司、西屋公司應用于軍方機載有源相控陣雷達的GaAs毫米波微波集成電路收/發(fā)(T/R)組件模塊封裝外殼，不僅提高了T/R組件性能，且可減重70%，實現(xiàn)了機載和空基系統(tǒng)輕量化。典型的應用案例包括：美國洛克希德·馬丁公司研制的F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機的遙控自動駕駛儀、發(fā)電單元、飛行員頭部上方顯示器、電子計數(shù)測量陣列等關鍵電子系統(tǒng)、美國格魯曼公司研制的艦載電子戰(zhàn)斗機EA-6B徘徊者、雷神公司生產(chǎn)的機載電子反制系統(tǒng)AN/ALE-50、美國麥道公司為海軍研制的艦載單座雙發(fā)超音速多用途戰(zhàn)斗機F-18“大黃蜂”和由歐洲戰(zhàn)斗機公司設計的第四代半歐洲臺風戰(zhàn)斗機均使用了大量SiCp/Al復合材料用于熱管理封裝組件[6, 15]。此外，SiCp/Al復合材料還用于洛克希德·馬丁公司研制的RAD6000飛行計算機組件，在火星探路者和卡西尼號宇宙飛船等許多深空探測器中發(fā)揮著重要作用。

在新能源功率器件方面，SiCp/Al復合材料被用作大功率和高可靠性IGBT封裝基板[16]。IGBT通常安裝在氮化鋁襯底上，基板材料必須與氮化鋁CTE匹配，以防止空洞或剝離失效。事實表明，由于銅基座與陶瓷支架間的焊點會在高功率循環(huán)狀態(tài)下失效，因此無法滿足高功率IGBT可靠性需求，而SiCp/Al復合材料基板耐受上萬次熱循環(huán)也不會失效。1991年通用汽車開發(fā)出世界上首輛現(xiàn)代電動汽車EV1，即選用SiCp/Al復合材料替代銅用于IGBT封裝，滿足了模塊熱管理要求。1997年，日本豐田公司開發(fā)的世界第一臺混合動力汽車Prius上路，其電力系統(tǒng)IGBT功率模塊，也采用了SiCp/Al復合材料封裝基板，以保證動力系統(tǒng)的可靠性。1999年，日本鐵路700型新干線列車在功率轉(zhuǎn)換模塊中使用了SiCp/Al復合材料封裝基板，以保障動力系統(tǒng)耐用性和熱管理高效性。

2009年以后，我國新能源汽車異軍突起，比亞迪、北汽新能源、吉利、榮威等公司對IGBT功率模塊及SiCp/Al復合材料封裝基板需求量驟增，快速發(fā)展的中國高鐵產(chǎn)業(yè)更是不斷對IGBT及其封裝技術提出更高的需求和挑戰(zhàn)。據(jù)報道，2017年底株洲中車時代電氣完成了“3600 A/4500 V壓接型IGBT及其關鍵技術”，被認定為世界上功率等級最高的壓接型IGBT，針對熱管理要求配備了雙面散熱技術，實現(xiàn)了國內(nèi)大容量壓接型IGBT技術“從無到有”的跨越。

在無線通訊方面，SiCp/Al復合材料在衛(wèi)星與電子通訊上也得到廣泛應用，典型的如“銥星計劃”，是美國摩托羅拉公司提出的第一代真正依靠衛(wèi)星通信系統(tǒng)提供聯(lián)絡的全球個人通信方式，由66顆衛(wèi)星組成空間網(wǎng)絡，其中大量采用了SiCp/Al復合材料作為印刷線路板板芯，不僅提供有效機械支撐以減小發(fā)射時產(chǎn)生的劇烈震動，其高效熱管理特性更可保障衛(wèi)星元件，在太陽光交替照射時具有良好的溫度均勻性及長期工作可靠性。

我國對高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料的研制始于20世紀90年代，研究單位有北京有色金屬研究總院、北京航空材料研究院、哈爾濱工業(yè)大學、上海交通大學、國防科技大學、北京科技大學、西北工業(yè)大學、中南大學、華中科技大學等，圍繞粉末冶金、攪拌鑄造、壓力浸滲、無壓浸滲、共噴射沉積、粉末注射成型-熔滲等多種制備工藝開展研究，部分研究成果已通過中試擴大生產(chǎn)轉(zhuǎn)化為商業(yè)化產(chǎn)品。尤其近年來，得益于電子技術迅猛發(fā)展的推動，金屬基復合材料的研究與產(chǎn)業(yè)化也得以快速發(fā)展，使國內(nèi)可提供高體積分數(shù)SiCp/Al復合材料熱管理產(chǎn)品的企業(yè)發(fā)展到10余家，包括(但不限于)西安明科微電子材料有限公司、湖南浩威特科技發(fā)展有限公司、湖南航天誠遠精密機械有限公司、湖南恒裕新材料科技發(fā)展有限公司、西安法迪復合材料有限公司、西安正新材料公司、北京寶航新材料有限公司等，產(chǎn)品主要用于航天裝備(微電、微波功率器件封裝)、交通運輸(高鐵及電動、混動汽車的IGBT封裝)、新能源(電網(wǎng)、風電)、通信系統(tǒng)(衛(wèi)星通信基站、5G 通信、網(wǎng)絡基站系統(tǒng))及國防裝備(相控陣雷達封裝、電子精確制導、導彈尋的系統(tǒng)和電子干擾系統(tǒng))等。圖2給出了國內(nèi)兩類SiCp/Al復合材料的典型產(chǎn)品照片：散熱柱型基板和新興VR(virtual reality)產(chǎn)品輕量化散熱底板[17]；表2列出了國內(nèi)外部分產(chǎn)品性能指標。

圖2 SiCp/Al復合材料典型產(chǎn)品：(a) 散熱柱型基板，(b) 新興VR產(chǎn)品輕量化散熱底板[17]Fig.2 Typical products of SiCp/Al composites: (a) baseplate with pin-fins, (b) light-weight baseplate used in VR products for heat dissipation[17]

2.1.3 Carbon/Al復合材料

以碳纖維或石墨為增強體，與鋁復合制備的Carbon/Al復合材料，與上述Sip/Al、SiCp/Al復合材料相比具有更優(yōu)良的機械加工性能，可加工成型各類復雜形狀或薄壁構(gòu)件，如圖3a所示[18]。然而，一方面，高導熱碳纖維或鱗片石墨具有顯著的各向異性，復合材料物理性能直接受增強體空間取向的影響，使其設計更加復雜，如螺旋排列、網(wǎng)狀排列等,以解決各向異性問題，或者針對服役工況，利用其性能各向異性促進熱源溫度均勻化[1]。另一方面，Carbon/Al復合材料的力學性能與氣密性較Sip/Al、SiCp/Al差得多，尤其是復合制備工藝控制失當，會導致碳與鋁發(fā)生化學反應生成易潮解的脆性產(chǎn)物Al4C3，使復合材料易粉末化，服役耐久性與可靠性急劇下降。因此，通常Carbon/Al復合材料使用時常需進行表面防護處理，或用于干燥服役環(huán)境。典型地，[0/90/90/0]層狀Cf/Al復合材料用于宇宙飛船聚光光伏陣列構(gòu)件，與固定光伏元件的BeO支座連接，既起到支撐保護作用，又可將元件熱量及時傳導出去，同時由于與BeO熱膨脹相同而不會導致釬焊熱應力失效[19]，如圖3b所示[18]。瑞士CERN Technology、美國PCC-AFT、德國Schunk Carbon Technology (SCT)、國內(nèi)的江蘇凱訊新材料有限公司、北京寶航新材料有限公司、哈爾濱翔科新材料有限公司等可提供相關熱管理產(chǎn)品，表3列出了部分國外產(chǎn)品的性能指標。

表2 國內(nèi)外SiCp/Al復合材料產(chǎn)品性能

圖3 Cf/Al復合材料產(chǎn)品[18]Fig.3 Typical products of Cf/Al composites[18]

CompanyModelTC/(W·m-1·K-1)CTE/(×10-6 K-1)Density/(g·cm-3)CERN TechnologyGr/Al385～9—AlGrf123 (x)291 (y)132 (z)9.12.53PCC-AFTAlGrp228 (x)281 (y)209 (z)7.62.1ALG1808180 (x/y/z)82.2Schunk Carbon Technology (SCT)ALG2208220 (x/y)140 (z)8 (x/y)12 (z)2.3

2.1.4 Diamond/Al復合材料

Diamond/Al復合材料在保持低熱膨脹系數(shù)、低密度和各向同性前提下，與Sip/Al、SiCp/Al復合材料相比，熱導率可提高1～2倍(≥400 W/(m·K))，是國內(nèi)外競相研發(fā)的新型熱管理材料[7]；其劣勢在于機械加工性極差，雖可采用水刀或激光切割加工，但加工成本極高，產(chǎn)品一般為近終成形[20]。Diamond/Al復合材料制備方法主要有液相浸滲和粉末冶金兩種，前者制備過程中金剛石與鋁基體易發(fā)生化學反應生成Al4C3反應產(chǎn)物，通常需進行界面改性處理，而后者對模具與設備要求高，因而制備成本偏高。

目前，國外Diamond/Al復合材料熱管理產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)主要集中在奧地利、美國和日本，包括：奧地利的RHP Technology、PLANSEE、美國NANO Materials International Corporation (NMIC)、Advanced Diamond Solutions (ADS)及日本DENKA電化株氏會社等。國內(nèi)提供Diamond/Al復合材料熱管理產(chǎn)品的企業(yè)還很少。表4列出了主要的國外企業(yè)產(chǎn)品性能指標。

2.2 銅基復合材料

純銅導電性好，熱導率高(385～400 W/(m·K))，約為純鋁的1.7倍，CTE為17×10-6/K，也低于純鋁(23×10-6/K)。因而，與鋁基復合材料相比，銅基復合材料只需添加更少量增強體，熱膨脹系數(shù)即可與半導體相匹配，并易于獲得更高熱導率。更為重要的是，銅基復合材料不僅可集成高導熱、低膨脹系數(shù)以滿足熱管理功能特性，還具有良好的耐熱、耐蝕與化學穩(wěn)定性，可在更大程度上滿足高溫、腐蝕環(huán)境等極端服役條件的要求，如核電工程、酸堿及干濕冷熱交替的大氣環(huán)境等。因此，在密度非第一考慮要素時，銅基復合材料往往是先進熱管理材料的理想選擇，尤其是金剛石/鋼(Diamond/Cu)復合材料，近年來已發(fā)展成為金屬基復合材料的研究熱點之一。然而，銅密度高，且與增強體之間存在界面結(jié)合和潤濕性問題，嚴重阻礙了其性能提升與熱管理應用，目前已得到研究者的廣泛關注[21, 22]。

表4 國外Diamond/Al復合材料產(chǎn)品性能

國外對Diamond/Cu復合材料制備技術研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展起步較早。早在1995年，美國Lawrence Livemore國家實驗室與Sun Microsystems公司就合作開發(fā)了Diamond/Cu復合材料，取名為Dymalloy[6]，其熱導率達到420 W/(m·K)，25～200 ℃時的熱膨脹系數(shù)為(5.48～6.50) ×10-6/K，與GaAs、Si的熱膨脹系數(shù)相匹配，作為多芯模塊(MCM)基板使用[21]，但其制備工藝復雜，成本極高。2000年以后，工業(yè)發(fā)達國家特別是日本對Diamond/Cu復合材料做了大量研究，如日本住友電工(SEI)、日本通產(chǎn)省工業(yè)技術院(NIAIST)、大阪大學等。早在2002年6月,日本住友電工(SEI)即開發(fā)出熱導率為500～550 W/(m·K)，CTE為(6～6.5)×10-6/K的Diamond/Cu復合材料，取名為Diamond-Metal-Composite for Heat Sink (DMCH)[6]。據(jù)報道，美國ADS開發(fā)了兩代Diamond/Cu復合材料，第二代復合材料的熱導率甚至高達1200 W/(m·K)，3倍于銅的熱導率，產(chǎn)品直徑可達60 mm，厚度為1.5～3.0 mm，2003年即開始向美國蘋果、諾斯洛普·格魯門(世界最大雷達制造商、第三大軍工生產(chǎn)商)、霍尼韋爾等大公司提供Diamond/Cu復合材料產(chǎn)品作為微芯片封裝基板與熱沉，曾一度是Diamond/Cu復合材料產(chǎn)品的神話企業(yè)；但目前ADS運營狀態(tài)尚不清楚，企業(yè)主頁已無法正常瀏覽。

國內(nèi)北京科技大學在Diamond/Cu復合材料制備研究方面做了大量工作，北京有色金屬研究總院、上海交通大學、哈爾濱工業(yè)大學、中南大學、湖南大學等高校和科研院所也開展了相關研究，但都以實驗室或小批量產(chǎn)品供貨為主，尚沒有形成穩(wěn)定的市場化商品。國外主要Diamond/Cu復合材料產(chǎn)品性能參見表5。

表5 國外Diamond/Cu復合材料產(chǎn)品性能

雖然我國在Diamond/Cu復合材料的研究起步略晚、尤其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展相對落后，但相關部門已經(jīng)重視基礎研究與核心技術研發(fā)布局。依據(jù)《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要(2006-2020年)》，2017年國家重點研發(fā)計劃設立了“戰(zhàn)略性先進電子材料”重點專項，針對高功率密度電子器件散熱的瓶頸問題，專門開展新型高效導熱基板材料的制備與性能調(diào)控研究，其中設立的一個課題即為超高導熱Diamond/Cu復合材料產(chǎn)品研制，目標熱導率不低于800 W/(m·K)(比純銅高1倍)，熱膨脹系數(shù)不高于5.5×10-6/K(與第三代半導體GaN完全匹配)，并通過與其他熱管理研究成果相結(jié)合，預期實現(xiàn)高頻瞬間器件熱點溫度、多維電子器件熱點溫度、高功率(≥1000 W/cm2)熱點處溫度降低40～80 ℃，為新型基板材料的工程應用及第三代半導體器件高性能熱管理設計提供參考依據(jù)和技術方案。據(jù)文獻報道，通過界面改性設計，俄羅斯圣彼得堡國立技術大學[23]、北京科技大學[24]等采用液相浸滲方法制備的小尺寸(Φ5 mm×24 mm、Φ10 mm×3 mm)Diamond/Cu復合材料熱導率已超過900 W/(m·K)，雖然目前絕大部分研究報道的小試樣熱導率仍低于750 W/(m·K)。熱導率不低于800 W/(m·K)的Diamond/Cu復合材料產(chǎn)品的成功試制仍充滿了技術挑戰(zhàn)。

2.3 輕質(zhì)鎂基復合材料

與Al, Cu相比，Mg具有更低的密度(～1.74 g/cm3)，但其熱導率也可達到150 W/(m·K)，尤其通過高導熱碳纖維、金剛石顆粒復合強化，進一步提高熱導率的同時，降低其熱膨脹系數(shù)(25×10-6/K)，從而使熱管理用金屬基復合材料進一步提高比熱導，促進輕量化領域應用。事實上，日本住友電工已提供SiCp/Mg復合材料熱管理產(chǎn)品，熱導率(230 W/(m·K))比SiCp/Al復合材料產(chǎn)品提高15%以上，同時密度可降低6%以上(小于2.8 g/cm3)，從而比熱導率提高18%以上，對航天領域“克克計較”的輕量化設計而言有著特殊的重要意義。

同時，熱管理用新型鎂基復合材料正逐漸引起科學家們的興趣。特別地，2015年熱管理用金屬基復合材料專家、西班牙阿利坎特大學[25]報道了采用氣體壓力液相浸滲制備的體積分數(shù)61%～76%的金剛石/鎂(Diamond/Mg)復合材料，熱導率高達700 W/(m·K)，密度為3.03 g/cm3，比相同導熱性能的Diamond/Al復合材料降低～8%，拉開了熱管理用高熱導率鎂基復合材料的研究序幕。2018年又報道了以Diamond/Mg復合材料為骨架的開孔泡沫材料，密度僅1.19 g/cm3，熱導率高達82 W/(m·K)，可用于流體散熱體系的高導熱、輕量化選材[26]。

3 熱管理應用金屬基復合材料的發(fā)展趨勢

通常，影響金屬基復合材料導熱性能的主要因素有：增強體的物性(種類、含量及尺寸)、金屬基體的物性(種類及純度)、增強體/基體的復合界面熱導及增強體在基體中的空間分布[1]。對于已知材料體系和結(jié)構(gòu)，其導熱性能的分布范圍如圖4所示。

3.1 納米尺度復合界面改性設計

復合界面始終是決定金屬基復合材料導熱性能的關鍵因素。對于高體積分數(shù)(>60%)金剛石增強金屬基復合材料而言，合金基體本征熱導率對復合材料性能影響越來越小。例如：雖然金屬基體熱導率一般Mg(150 W/(m·K)

圖4 常用熱管理材料熱導率-熱膨脹系數(shù)分布Fig.4 Summary of materials used for thermal managements

3.2 新型高導熱復合構(gòu)型設計

此外，雖然復合構(gòu)型設計一直是研究者調(diào)控金屬基復合材料導熱性能的有效途徑，但已有研究主要體現(xiàn)在對纖維、片狀等各向異性增強體分布的調(diào)控設計[1]，而對各向同性高導熱顆粒增強金屬基復合材料的構(gòu)效關系研究較少。事實上，基于滲流轉(zhuǎn)變理論，經(jīng)典的有效介質(zhì)導熱理論在滲流閾值附近可能失效[33]；這意味著當高導熱顆粒體積含量大于某一閾值后，顆粒會形成無規(guī)則連續(xù)集團，甚至構(gòu)筑一個連續(xù)的網(wǎng)絡互穿骨架結(jié)構(gòu)，導致復合材料熱導率發(fā)生突變。2018年，上海交通大學報道了采用粉末冶金技術制備的體積分數(shù)40%、50%的Diamond/Al復合材料，隨金剛石顆粒分布狀態(tài)和連通性變化，熱導率差異分別可達21%和42%[34]，為顆粒增強金屬基復合材料的構(gòu)型調(diào)控研究進行了有益探索。隨著3D打印等新型制備技術發(fā)展，構(gòu)型設計可望賦予金屬基復合材料更顯著的導熱增強效益。

3.3 新型超高導熱增強體發(fā)展

超高導熱、低膨脹系數(shù)新型增強體的出現(xiàn)，無疑會成為熱管理用金屬基復合材料實現(xiàn)跳躍式發(fā)展的另一個可能的途徑。如：已發(fā)現(xiàn)的碳納米纖維(CNF)、碳納米管(CNT)、石墨烯納米片(GNS)等納米碳增強體，不但具有優(yōu)異的力學性能、極低的熱膨脹系數(shù)((-1～2.5)×10-6/K)，而且具有超高的熱導率(3000～6600 W/(m·K))，較天然金剛石還高出1～2倍，可作為高導熱金屬基復合材料的增強體。然而，由于其豐富的比表面積和易團聚的性質(zhì)，高體積分數(shù)納米碳在復合材料中的均勻分散及其與金屬基體界面控制還一直是制備的關鍵問題與技術難點。目前，為了保障均勻分散與界面結(jié)合效果，制備的金屬基復合材料中納米增強體的體積分數(shù)通常都遠低于15%，大量復合界面使界面熱阻很高，制備的復合材料熱導率低于金屬基體[35-37]。2018年，日本秋田大學聯(lián)合日本住友精密工業(yè)株式會社(SPP)報道了采用高導熱(～2000 W/(m·K))微米碳纖維(VGCF)與CNT協(xié)同增強復合制備的60%VGCF-0.2%CNT/Al-1.2Si復合材料沿x方向熱導率高達719 W/(m·K)，得益于CNT在VGCF間的連通作用，y方向熱導率也有217 W/(m·K)[38]。VGCF-CNT/Al復合材料具有良好的機械加工性，但目前尚未有單獨采用納米碳制備超高導熱金屬基復合材料的研究報道?？梢灶A期，未來新的超高導熱、低膨脹系數(shù)增強體的出現(xiàn)，會進一步促進熱管理用金屬基復合材料的發(fā)展。

4 結(jié) 語

當前軍民電子技術高功率、高頻率、微型化、集成化發(fā)展日漸加速，電子器件功率密度攀升，發(fā)展與第三代半導體熱膨脹系數(shù)完全匹配并具有超高熱導率的金屬基復合材料，實現(xiàn)半導體在高熱導基板的直接封裝，消除封裝的宏觀界面熱阻，可顯著提高電子器件熱管理效率。一方面，對已有材料體系開展納米尺度的復合界面改性設計減小界面熱阻，同時深化高導熱復合構(gòu)型化研究，可望賦予金屬基復合材料更顯著的導熱增強效益；另一方面，新型超高導熱增強體的發(fā)現(xiàn)發(fā)展，無疑會為熱管理用金屬基復合材料帶來新的發(fā)展。

我國高熱導率、低熱膨脹系數(shù)金屬基復合材料基礎問題研究近年來已取得了階段性研究成果與進展，必須同時注重相關領域的產(chǎn)業(yè)培育與系列產(chǎn)品研發(fā)，實現(xiàn)軍民融合、產(chǎn)研結(jié)合、以產(chǎn)促研、以研哺產(chǎn)發(fā)展模式，既能保障高功率密度(>1000 W/cm2)IGBT、微波、電磁、光電等器件為典型應用的高科技技術領域和以相控陣雷達、高能固體激光器等為典型應用的國防技術領域的迫切應用需求，又可促進我國熱管理用金屬基復合材料的跨越發(fā)展。