熱壓法製造高導熱鑽石銀基複合材料及其性質之研究

Study on Properties of High-Thermal Conductivity Diamond/Silver Composite Prepared by Hot-Pressing

陳子涵

指導教授 ： 林樹均

國立清華大學/工學院/材料科學工程學系/碩士(2009年)

摘要

本實驗以不同大小、不同體積分率之原生鑽石(Saw Diamond)製作高導熱的鑽石銀基複材，實驗中發現鑽石與銀基材的界面接合不佳，且不會有化學鍵結出現，使得鑽石銀基複材的熱傳導性質遇到瓶頸，因此希望藉由添加容易生成碳化物的鈦來改善基材與強化材間的界面，進而改善複材性質。
以3D懸臂式混粉機將鑽石與銀兩種粉末進行混合分散，接著採用大氣熱壓法，在600 ℃、500 MPa壓力下熱壓30分鐘後製成圓板狀試片，量測其熱傳導、熱膨脹、硬度等性質，並觀察其熱性質變化趨勢，評估此複合材料在電子構裝散熱材的應用潛力。
鑽石銀基複材截面於SEM下可看到鑽石均勻分佈之圖像，添加了鈦之後也可以清楚看見三種元素的相。在銀添加30 vol%之100 ~ 120 μm鑽石之複材中，可得到熱傳導係數為500 W/m•K；而添加了鈦之後熱傳導係數更可以提升到525 W/m•K，除了明顯比純銀(430 W/m•K)高出許多之外，也証明了鈦的添加的確有助於複材的熱性質。
在不同的鑽石含量與鑽石顆粒大小實驗中，可發現隨著鑽石顆粒尺寸變大，總表面積減少，熱傳導係數上升；而鑽石含量增加，在低體積分率時複材熱傳導係數上升，但當體積分率更高之後複材熱傳導係數反而下降，推測與緻密度較差有關。而熱膨脹係數方面，隨著鑽石體積分率上升，熱膨脹係數僅有微微下降的趨勢，應與界面無穩固的化學鍵結(Chemical bonding)，且原生鑽石較碎裂鑽石表面平滑無機械鍵結(Mechanical Interlocking)有關。硬度方面，則隨著鑽石體積分率上升，鑽石提供散佈強化的作用而有稍微上升，但趨勢上看不出與熱傳導性質有相關。
整體而言，以此法製造鑽石銀基複合材，製程設備便宜，硬度跟熱傳導係數都能隨著鑽石及鈦的添加而改善。

關鍵字

鑽石 ； 熱傳導 ； 熱膨脹 ； 界面

參考文獻

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