清華大學團隊：互連結構對金剛石/銅復合材料熱導率的增強效應

未來產鏈 2026-01-15 17:57

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隨著電子器件功率密度持續(xù)攀升，高效熱管理已成為關鍵挑戰(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）復合材料憑借金剛石極高熱導率和銅優(yōu)良加工性，成為新一代熱管理材料的熱點。然而，界面熱阻一直是限制其性能的瓶頸。

傳統(tǒng)金剛石/銅復合材料多采用分散金剛石顆粒增強銅基體方式，但由于金剛石與銅在晶體結構、化學性質和熱膨脹系數上的巨大差異，界面處產生嚴重聲子散射，導致整體熱導率提升有限。近年來，研究者提出互連網絡結構設計，即構建連續(xù)金剛石網絡作為高效熱傳輸通道，大幅降低界面熱阻影響。實驗已實現僅4.6 vol%金剛石含量的復合材料熱導率達315 W/m·K，遠超同等含量分散顆粒結構。

近期，清華大學研究團隊發(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”，通過機器學習分子動力學模擬，定量比較兩種典型網絡結構：金剛石網絡/銅填充（DN/Cu）和銅網絡/金剛石填充（CuN/D），并深入解析聲子傳輸物理圖像。系統(tǒng)揭示了互連網絡結構在金剛石/銅復合材料中的熱傳導增強機制，為高性能熱管理材料設計提供了重要理論指導。

核心發(fā)現：互連結構顯著優(yōu)于分散設計

模擬結果顯示，兩種網絡結構熱導率隨金剛石含量變化趨勢截然不同：

發(fā)現金剛石網絡/銅（DN/Cu）結構在30%以上的金剛石體積分數下，熱導率（LTC）呈單調增加趨勢，表現出明顯的熱傳導優(yōu)勢。而在CuN/D結構中，隨著金剛石含量的增加，熱導率呈現非單調行為，存在約50%金剛石體積分數時的最小熱導率，這種現象源于銅和金剛石之間低頻與高頻聲子貢獻的競爭。

溫度依賴性方面，DN/Cu結構在200~500 K范圍內LTC變化較小，尤其高金剛石含量時幾乎恒定，表現出優(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。這進一步凸顯連續(xù)金剛石網絡在寬溫區(qū)應用的潛力。

該研究為金剛石/銅復合材料的熱傳導優(yōu)化提供了系統(tǒng)的理論支持。通過機器學習分子動力學模擬，不僅揭示了金剛石網絡結構相較于傳統(tǒng)分散顆粒型結構的顯著熱導率優(yōu)勢，還深入解析了界面熱阻、聲子頻率競爭及其溫度依賴性等關鍵因素。未來的研究可以基于這些發(fā)現，進一步優(yōu)化復合材料的結構設計，推動高性能熱管理材料的應用。

圖文導讀

圖1. 含分散金剛石顆粒（a）與互連金剛石網絡（b）的DMC材料中熱通道示意圖

圖2. NEP模型的數據集構建與訓練流程。(a) 訓練數據集中包含的典型金剛石/銅異質結構配置。界面配置I–III代表金剛石/銅界面處不同的原子排列，源于原子對位關系、界面鍵合模式及終止結構的變化，而“隨機”配置包含隨機混合的碳原子和銅原子，以捕捉無序界面區(qū)域。(b) 比較NEP模型預測與密度泛函理論（DFT）參考數據的奇偶圖，涵蓋能量、作用力和熵值。