随着2.5G、人工智能等电子器件持续小型化、集成化，热流密度大幅提升，散热成为大功率器件性能与可靠性提升的关键瓶颈；金刚石兼具超高热导率与极低热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion, CTE），铜（Cu）性价比突出，金刚石 / 铜复合材料是下一代热管理金属基复合材料（Metal Matrix Composites, MMCs）极具竞争力的候选材料，但金刚石与 Cu 润湿性差、无化学反应，未改性复合材料界面易开裂，热导率甚至低于纯 Cu；现有界面改性研究多聚焦界面特征与初始热导率的关联，缺乏材料热循环服役过程中导热性能衰减机理研究，且双层界面改性体系仍需进一步优化以兼顾导热与长期热稳定性能。
来自长沙理工大学等的研究人员采用磁控溅射在金刚石颗粒制备 Cr–CuCr30 双镀层，调控镀层厚度，探究界面结构演变对金刚石 / 铜复合材料微观组织、热导率、CTE 及热循环性能的影响，揭示热循环下导热衰减内在机制，实现复合材料导热与热稳定性协同平衡，为热管理用金刚石 / 铜复合材料界面优化提供理论与工艺指导。相关成果于 2026 年 06 月 08 日以 “The balance of thermal conductivity and stability of diamond/Cu composites through interfacial design of Cr–CuCr dual coatings” 为题发表在《Journal of Materials Research and Technology》。
样品制备：选用粒径约 230 μm 单晶金刚石粉末、10 μm Cu 粉为原料，采用高纯度 Cr、CuCr30（Cu：70 wt%，Cr：30 wt%）靶材通过磁控溅射在金刚石表面沉积 Cr 底层与不同厚度 CuCr30 表层，通过调控沉积时间制备 4 组不同厚度改性镀层样品，未改性金刚石 / 铜试样作为对照；将体积分数 50% 的镀层金刚石颗粒与 Cu 粉酒精混合均匀，30 t 单向冷压成型后，采用放电等离子烧结（SPS）在 950 ℃、60 MPa、10⁻³ Pa 真空条件下保温 30 min 致密化，炉冷后经激光切割、抛光、清洗干燥得到测试试样。
样品命名：C1：仅沉积 Cr 单层镀层，镀层厚度～60 nm；C2：Cr 底层 + 短时间 CuCr30 表层，总镀层～130 nm；C3：Cr 底层 + 40 min CuCr30 表层，总镀层～200 nm；C4：Cr 底层 + 60 min CuCr30 表层，总镀层～270 nm。
D0：未做任何镀层改性的原始金刚石 / Cu 复合材料（对照组）D1：采用 C1 镀层金刚石制备的复合材料；D2：采用 C2 镀层金刚石制备的复合材料；D3：采用 C3 镀层金刚石制备的复合材料；D4：采用 C4 镀层金刚石制备的复合材料。
图 1. 金刚石 / 铜复合材料制备流程示意图
图 2. 改性金刚石颗粒形貌及镀层厚度：(a)(e) C1 镀层；(b)(f) C2 镀层；(c)(g) C3 镀层；(d)(h) C4 镀层；(i) 镀层厚度统计图
图 3. 带有 C3 镀层金刚石颗粒的元素分布：(a-b) 形貌；(c) 能谱；(d-f) C、Cr、Cu 元素分布
图 4. 金刚石 / 铜复合材料抛光表面形貌：(a)(f) D0 复合材料；(b)(g) D1 复合材料；(c)(h) D2 复合材料；(d)(i) D3 复合材料；(e)(j) D4 复合材料
图 5. (a) 金刚石 / 铜复合材料 X 射线衍射图谱；(b) 图 (a) 黑色虚线框区域放大 X 射线衍射图谱
图 6. D3 复合材料元素分布与线扫描结果：(a) 形貌；(b-d) C、Cr、Cu 元素分布；(e) 界面形貌放大区域；(f) 线扫描测试结果
图 7. 金刚石 / 铜复合材料断口形貌；(a)(f) D0 复合材料；(b)(g) D1 复合材料；(c)(h) D2 复合材料；(d)(i) D3 复合材料；(e)(j) D4 复合材料；(k)(l) 复合材料断裂模型示意图
图 8. (a) 不同界面层金刚石 / 铜复合材料相对密度与热导率；(b)(c) 界面结构示意图；(d) D3 与 D4 复合材料的 CTE
图 9. (a) 本研究与文献报道 Cr 改性金刚石 / 铜复合材料热导率对比；(b) 导热提升效率 (η) 对比
图 10. (a) 不同热循环次数后金刚石 / 铜复合材料热导率变化；(b) 不同热循环次数下金刚石 / 铜复合材料相对热导率
图 11. 经过 100、200、300 次热循环后金刚石 / 铜复合材料断口形貌：(a)(e)(i) D1 复合材料；(b)(f)(j) D2 复合材料；(c)(g)(k) D3 复合材料；(d)(h)(l) D4 复合材料
图 12. 300 次热循环后 D4 复合材料断口金刚石颗粒表面形貌与元素面分布
图 13. 本研究与文献报道金刚石 / 铜复合材料热稳定性能对比
该研究通过磁控溅射制备 Cr–CuCr 双镀层并结合 SPS 工艺成功制备致密金刚石 / 铜复合材料，烧结过程中 Cr 与金刚石反应生成 Cr₃C₂，Cr₃C₂与 Cu 共存的界面相有效提升界面结合强度，200 nm 镀层 D3 复合材料初始热导率达 686 W/mK，270 nm 镀层 D4 复合材料初始热导率 646 W/mK，室温至 200 ℃下 CTE 低至 7.49 ×10⁻⁶ /K，经过 300 次−50 ℃~150 ℃热循环后热导率仅衰减 4%，热稳定性最优；镀层厚度为 200~270 nm 是兼顾初始导热与长期热循环稳定性的最优区间，较厚双镀层可构建梯度 CTE 过渡层、缓解界面热应力，抑制热循环过程中界面脱粘，在大功率电子器件热管理领域具备良好应用前景。
论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2026.06.067
