隨著電子器件功率密度持續(xù)攀升，高效熱管理已成為關(guān)鍵挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)金屬或陶瓷散熱器已難以滿足需求，而金剛石/銅（Diamond/Cu）復(fù)合材料憑借金剛石極高熱導(dǎo)率和銅優(yōu)良加工性，成為新一代熱管理材料的熱點(diǎn)。然而，界面熱阻一直是限制其性能的瓶頸。
傳統(tǒng)金剛石/銅復(fù)合材料多采用分散金剛石顆粒增強(qiáng)銅基體方式，但由于金剛石與銅在晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)性質(zhì)和熱膨脹系數(shù)上的巨大差異，界面處產(chǎn)生嚴(yán)重聲子散射，導(dǎo)致整體熱導(dǎo)率提升有限。近年來(lái)，研究者提出互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即構(gòu)建連續(xù)金剛石網(wǎng)絡(luò)作為高效熱傳輸通道，大幅降低界面熱阻影響。實(shí)驗(yàn)已實(shí)現(xiàn)僅4.6 vol%金剛石含量的復(fù)合材料熱導(dǎo)率達(dá)315 W/m·K，遠(yuǎn)超同等含量分散顆粒結(jié)構(gòu)。
近期，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)表在《International Journal of Thermal Sciences》的研究文章“Enhanced heat conduction in diamond/copper composites via interconnected structures: Machine learning molecular dynamics simulation”，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)分子動(dòng)力學(xué)模擬，定量比較兩種典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：金剛石網(wǎng)絡(luò)/銅填充（DN/Cu）和銅網(wǎng)絡(luò)/金剛石填充（CuN/D），并深入解析聲子傳輸物理圖像。系統(tǒng)揭示了互連網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在金剛石/銅復(fù)合材料中的熱傳導(dǎo)增強(qiáng)機(jī)制，為高性能熱管理材料設(shè)計(jì)提供了重要理論指導(dǎo)。
模擬結(jié)果顯示，兩種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熱導(dǎo)率隨金剛石含量變化趨勢(shì)截然不同：
溫度依賴性方面，DN/Cu結(jié)構(gòu)在200~500 K范圍內(nèi)LTC變化較小，尤其高金剛石含量時(shí)幾乎恒定，表現(xiàn)出優(yōu)良溫度穩(wěn)定性；CuN/D則受銅基體低頻聲子影響，溫度敏感性強(qiáng)。這進(jìn)一步凸顯連續(xù)金剛石網(wǎng)絡(luò)在寬溫區(qū)應(yīng)用的潛力。
圖1. 含分散金剛石顆粒（a）與互連金剛石網(wǎng)絡(luò)（b）的DMC材料中熱通道示意圖
圖2. NEP模型的數(shù)據(jù)集構(gòu)建與訓(xùn)練流程。(a) 訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中包含的典型金剛石/銅異質(zhì)結(jié)構(gòu)配置。界面配置I–III代表金剛石/銅界面處不同的原子排列，源于原子對(duì)位關(guān)系、界面鍵合模式及終止結(jié)構(gòu)的變化，而“隨機(jī)”配置包含隨機(jī)混合的碳原子和銅原子，以捕捉無(wú)序界面區(qū)域。(b) 比較NEP模型預(yù)測(cè)與密度泛函理論（DFT）參考數(shù)據(jù)的奇偶圖，涵蓋能量、作用力和熵值。
