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随着电子信息产业的迅猛发展,电子器件的功率密度急剧增加,亟需开发高导热电子封装材料来满足迫切的散热需求。金刚石具有优异的热物理性能然而难以直接应用,金属铜具有较高的热导率并且加工性能良好,因此金刚石颗粒增强铜基(Cu/diamond)复合材料成为新一代电子封装材料的研究热点。由于Cu与金刚石之间无化学反应并且润湿性差,Cu/diamond复合材料的界面结合较弱,金刚石优异的导热性能无法充分发挥。本领域研究者采用Cu基体合金化和金刚石表面金属化进行界面改性并提高Cu/diamond复合材料热导率,然而对于复合材料的界面结构特征缺乏深入研究,对界面形成机理尚未形成统一认识。本文分别采用Cu基体合金化和金刚石表面金属化对Cu/diamond复合材料进行界面改性,利用气压浸渗法制备复合材料,通过聚焦离子束微纳加工系统(FIB)、扫描透射电镜(STEM)等表征技术深入分析Cu/diamond复合材料界面结构,在对比两种不同界面改性方式的基础上,阐明Cu/diamond复合材料的界面形成机理,建立复合材料界面结构和导热性能之间的联系。采用真空感应熔炼在Cu基体中添加0.25～1.0 wt.%Zr,以人造单晶金刚石颗粒为原料,利用气压浸渗法制备Cu-Zr/diamond复合材料,系统研究了界面反应产物的形核长大机制以及Cu基体中不同Zr含量对复合材料界面结构和导热性能的影响。研究表明,界面反应产物ZrC在金刚石表面是一个非均匀形核长大的过程,其形核和长大均受金刚石表面形貌特征控制。在金刚石(111)面上,ZrC颗粒在低密度垂直台阶边缘处形核,其长大过程受C原子的表面扩散控制,最终形成的碳化物颗粒密度较小、尺寸较大;在金刚石(100)面上,ZrC颗粒在与金刚石表面具有55°夹角的高密度凹坑内形核,依靠C原子的体扩散长大,最终形成的碳化物颗粒密度较大、尺寸较小。ZrC与金刚石之间的晶体取向关系为:(11l)diamond//(111)ZrC和[110]diamond//[110]ZrC。Cu基体中Zr含量对界面碳化物形貌和复合材料导热性能具有很大的影响,随着Zr含量从0.25 wt.%增加到1.0 wt.%,界面碳化物由离散分布的小颗粒逐渐演变为连续的碳化物层,复合材料热导率先升高后降低并在Zr含量为0.5 wt.%时获得最大热导率,此时在室温附近的热膨胀系数为5.16×10-6 K-1,与半导体材料相匹配。采用磁控溅射在金刚石表面镀覆厚度为47～430 nm的Zr镀层,系统研究了 Zr镀层结构以及Zr镀层在Cu/diamond(Zr)复合材料制备过程中的物相和形态演变规律。研究表明,Zr镀层能够有效防止金刚石颗粒在复合材料制备过程中发生石墨化,金刚石表面的C原子扩散到达镀层与Zr原子发生反应,镀层逐渐转变为ZrC界面层。ZrC和金刚石之间的晶体学取向关系为:(111)diamond//(111)ZrC和[110]diamond//[110]ZrC。ZrC界面层能够有效增强Cu基体和金刚石之间的界面结合,从而提高复合材料热导率,当ZrC界面层厚度为50 nm时(相对应的Zr镀层厚度为47 nm),获得Cu/diamond(Zr)复合材料的最大热导率735 W m-1 K-1。随着ZrC界面层厚度增加复合材料热导率下降,一方面源自于ZrC较低的本征热导率,另一方面是由于过厚界面层引起界面分离,这两个因素均带来较大的界面热阻。Cu-Zr/diamond复合材料热导率在Cu基体中Zr含量为0.5 wt.%时获得最大值930 W m-1 K-1,远高于Cu/diamond(Zr)复合材料的最大值735 W m-1 K-1,这与Cu基体合金化原位生长的楔子状碳化物进入Cu基体而产生强烈的钉扎作用有关。通过磁控溅射在金刚石表面镀覆厚度为65～850 nm的Ti镀层,系统研究了Ti镀层结构以及Ti镀层在Cu/diamond(Ti)复合材料制备过程中的物相和形态演变规律。研究表明,与Cu/diamond(Zr)复合材料中ZrC界面层的形成机制类似,C原子的扩散使Ti镀层逐渐转化为TiC界面层,从而增强界面结合并提高复合材料热导率。金刚石与TiC之间的晶体学取向关系为:(111)diamond//(1111)TiC和[11 0]diamond/[11 0]TiC。Cu/diamond(Ti)复合材料热导率在均匀Ti镀层厚度为220 nm时获得最大值811 W m-1 K-1,随着Ti镀层厚度增加复合材料热导率下降,后续通过优化镀覆工艺减少镀层缺陷,有望在更薄的Ti镀层厚度时获得更高的热导率。Cu/diamond(Zr)复合材料在Zr镀层厚度为47 nm时的最大热导率为735 W m-1 K-1,低于Cu/diamond(Ti)复合材料在Ti镀层厚度为220 nm时的最大热导率811 W m-1 K-1,并且通过减小Ti镀层厚度有望进一步提高热导率,因此金刚石表面镀Ti 比镀Zr更有利于改善Cu与金刚石之间的声阻抗差异和提高Cu/diamond复合材料的热导率。利用220 nm Ti镀层进行界面改性的Cu/diamond(Ti)复合材料,在室温附近的热膨胀系数为5.55×10-6 K-1,与半导体材料相匹配。综上所述,本文通过Cu基体合金化和金刚石表面金属化两种不同方式在Cu/diamond复合材料中引入碳化物界面层,均可有效增强Cu和金刚石的界面结合并提高复合材料的热导率。阐明了不同界面改性方式下复合材料的界面形成机理,揭示了有利于提高复合材料热导率的界面结构特征,研究结果为高导热Cu/diamond复合材料的设计制备提供了理论依据。经过界面改性的Cu/diamond复合材料具有优异的热物理性能,有望应用于半导体激光器、LED照明、CPU芯片等高功率器件的散热。