这篇论文题为《Manipulating in-situ discrete carbide interlayer to achieve high thermal conductivity in Cu-B/diamond composite》，由Yongjian Zhang、Guangzhu Bai、Xiangyu Zhu、Jingjie Dai、Xitao Wang、Jinguo Wang、Moon J. Kim和Hailong Zhang等人共同完成。该研究发表在《Materials Today Communications》期刊上，出版日期为2023年1月7日。文章围绕通过调控铜-硼（Cu-B）合金与金刚石复合材料的界面结构来提高其热导率展开，探讨了金属基复合材料（MMCs）在热管理中的应用潜力。

研究背景与目的

随着电子设备的高功率化，散热问题变得日益严峻。高热导率的材料，尤其是铜（Cu）基复合材料和金刚石（Diamond）复合材料，成为了热管理领域的研究热点。铜本身具有较高的热导率（约400 W/m·K），而金刚石的热导率更是高达3000 W/m·K，这使得金刚石强化铜基复合材料（Cu/diamond）成为热管理材料中的理想选择。然而，铜与金刚石之间缺乏化学亲和力且声阻抗差异较大，导致界面热导率较低，严重影响复合材料的整体热导性能。

为了克服这些问题，研究人员提出在铜-金刚石界面处引入碳化物（Carbide）中间层，通过金属基合金化（Metal Matrix Alloying）或金刚石表面镀层（Diamond Surface Metallization）来改善界面结构。通过调控合金元素的含量以及工艺参数，研究人员旨在优化铜-金刚石复合材料的界面，进而提高其热导率。

研究方法与实验设计

本研究采用了金属基合金化方法，通过气压浸渗（Gas Pressure Infiltration）工艺在Cu-B合金基体与金刚石颗粒之间形成原位（in-situ）碳化物中间层。这种方法相比于外部涂层法（ex-situ），能够得到更薄的碳化物层，最薄可达到22 nm。

为了研究碳化物层对复合材料热导率的影响，作者设计了多个实验，其中包括通过改变浸渗接触时间（从5分钟到90分钟不等）来调节碳化物层的厚度和覆盖率。此外，研究还通过透射电子显微镜（TEM）、扫描透射电子显微镜（STEM）等技术观察复合材料的微观结构，分析不同浸渗时间下界面碳化物的形态演变。

在实验过程中，合金中硼元素（B）与金刚石表面反应生成碳化硼（B4C）层，进而改善了界面热导率。实验中，通过调节合金中硼的含量、浸渗温度、接触时间等参数，研究人员观察到了碳化物层的演变，并分析了碳化物厚度、覆盖率与热导率之间的关系。

研究结果

1. 界面碳化物形态与热导率的关系：研究发现，随着浸渗时间的增加，碳化物层的厚度逐渐增大，同时碳化物的覆盖率也有所提高。具体来说，在60分钟的浸渗时间下，Cu-B/diamond复合材料的热导率达到了913 W/m·K，比浸渗时间为5分钟时的热导率（828 W/m·K）高出10%。然而，随着浸渗时间的进一步延长（例如，75分钟和90分钟），热导率有所下降。

2. 界面热导率的变化：通过反向计算界面热导率（h），研究人员发现在合适的碳化物层厚度和覆盖率下，界面热导率大幅提高。碳化物层在铜基体与金刚石之间提供了一个快速的热传导通道，但当碳化物层过厚时，热导率反而下降。

3. 浸渗时间与合金元素消耗的关系：研究还通过计算合金中硼元素的消耗比例，发现随着浸渗时间的延长，硼元素的消耗比例显著增加。这表明，浸渗时间越长，碳化物层的形成就越充分，从而影响复合材料的热导率。

4. 复合材料的最终热导率：在最终实验中，经过优化的Cu-0.3 wt% B/diamond复合材料，具有小于45 nm的碳化物层厚度和超过90%的碳化物覆盖率，达到了913 W/m·K的热导率，这是目前硼改性Cu/diamond复合材料中报道的最高热导率。

研究结论

本研究通过金属基合金化方法，在铜-金刚石复合材料的界面处成功地引入了原位碳化物中间层，并通过调节工艺参数，精准地控制了碳化物层的厚度与覆盖率。这种原位碳化物中间层显著提高了复合材料的界面热导率，从而提升了复合材料的整体热导率。研究表明，碳化物层的厚度和覆盖率是影响界面热导率的关键因素，较薄的碳化物层和较高的覆盖率有助于提高热传导效率。

此外，研究还发现，合金元素的消耗、碳化物层的演变及其与基体的相互作用，对于Cu-B/diamond复合材料的热导率具有重要影响。通过合理调节浸渗接触时间和合金元素含量，可以有效控制碳化物层的形态，从而优化热导率。

研究亮点与创新

1. 界面工程的创新性应用：本研究采用的金属基合金化方法成功地在Cu-B/diamond复合材料的界面上形成了原位碳化物中间层，这一方法在界面工程中具有重要的应用价值。

2. 原位碳化物层的精确调控：研究通过精确控制浸渗时间和合金元素含量，优化了碳化物层的厚度和覆盖率，提出了一种新的优化策略，提升了Cu/diamond复合材料的热导率。

3. 高热导率的取得：通过工艺优化，本研究获得了Cu-B/diamond复合材料的最高热导率（913 W/m·K），这为未来高效热管理材料的开发提供了有力的参考。

研究意义与应用价值

该研究不仅为铜基金刚石复合材料的界面改性提供了新的思路，还为热管理材料的设计和优化提供了重要的理论依据。通过调节碳化物中间层的厚度和覆盖率，研究人员成功地提高了复合材料的热导率，为高效散热材料的开发提供了新的方向。此外，该研究的成功实现，也为金属基复合材料的热管理应用提供了理论支持，具有重要的科学价值和应用前景。