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      鄭州華晶金剛石股份有限公司

      金剛石膜之熱應用淺談(一)

      關鍵詞 金剛石膜 , 金剛石|2019-03-18 10:50:50|來源 冰河傳熱
      摘要 一、引子碳元素家族一直是英杰輩出的家族:有各式各樣的石墨,有焦炭、炭黑等無定型炭,有足球形的富勒烯(C60),還有最近一直火熱的石墨烯。當然,還有晶瑩剔透,光彩奪目的金剛石。鉆石恒...

             一、引子

             碳元素家族一直是英杰輩出的家族:有各式各樣的石墨,有焦炭、炭黑等無定型炭,有足球形的富勒烯(C60),還有最近一直火熱的石墨烯。當然,還有晶瑩剔透,光彩奪目的金剛石

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      鉆石恒久遠,一顆永流傳

             天然金剛石是自然界存在的一種特殊礦物,集諸多優點于一身:天然物質中硬度最高、彈性模量最大、熱導率也最高。除此之外還具有優良的場致發射特性、禁帶寬度很大,摻雜后可用作半導體材料;金剛石還是性能優異的光學窗口材料,在從紫外到遠紅外,甚至到微波頻段,均具有優良的透過率。

             天然金剛石礦藏由于受利益集團的控制,在市場上的流通量有限,價格也一直居高不下。面對“鉆石恒久遠,一顆永流傳”這樣的商業謊言,我們也只能干瞪眼。常言道:能用錢解決的問題,都不是問題。問題是沒有錢!畢竟按“克拉”來賣的東西,能買一小顆哄哄老婆已經不易。對于常規熱設計,如果你說要用天然金剛石來解決散熱問題,估計有兩種結果:要么你把領導嚇個半死,要么你被領導打個半死。

             好在除了天然金剛石之外,人造金剛石技術也日益成熟。在各種各樣的人造金剛石中,最有應用潛力的方向是金剛石薄膜。目前,金剛石薄膜主要采用化學氣相沉積(CVD)技術制造而來,能夠制備幾乎各種形狀,理論上其尺寸不受限制。金剛石薄膜同樣具有優異的物理化學性能,且成本較天然金剛石更為低廉,因此在電子、光學、機械等工業領域比天然金剛石更有優勢!

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      CVD金剛石薄膜的部分應用領域

             只要價格能控制在合適的范圍,我們在熱設計中用一下金剛石薄膜還是非常有希望的—畢竟我們熱設計也屬于“高端”行業嘛!本文主要對金剛石薄膜的熱學應用作一淺顯介紹,期望拋出去一塊磚,引來一堆金剛石。

      以下分幾個方面簡單介紹:

             二、走近金剛石薄膜

             2.1 時刻牢記:

             曠世巨鉆,不過是碳!

             2.2 金剛石薄膜的等級

             金剛石膜按應用場景及性能需求不同,分成不同等級,如要求較低的熱學級(熱沉片)和機械級(用于硬質刀具),要求較高的電子級和光學級。不同等級的金剛石膜價格上有明顯的差異。

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             上圖是ADT公司制備的不同類型的金剛石膜:(1)淡藍色的為摻雜有硼元素的金剛石膜;(2)物色透明的為光學級膜;(3)黑乎乎的膜為機械級;(4)類似于磨砂塑料片,表面粗糙的金剛石膜是CVD制備出來,未打磨的原始狀態。

             為了看的更直觀些,我把朋友發我的珍藏圖也拿出來。

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             表面未作處理的粗糙料(熱沉級)

             甲:這粗糙的玩意兒,你告訴我是金剛石?!

             乙:嗯,確切地說應該叫類金剛石!客官,不要只看表面嘛!打磨一下也是表面光潔如玉的呀!

             甲:這灰不拉嘰的圓片,即便打磨后也是灰色的吧?

             乙:嗯,是的!光潔如灰玉!灰玉也是玉嘛!來來來,客官,下面這張是打磨后的光學級的金剛石。

             甲:這看起來還像那么回事!

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      打磨拋光洗白白的金剛石膜(光學級)

             2.3 金剛石膜的導熱系數

             好了,閑言少敘。匯總一下不同類型的剛石及其導熱系數。

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             為啥不同類型金剛石的導熱性能差異那么大?

             這涉及到金剛石的傳熱機理。不同于常規的金屬依靠電子運動來導熱,金剛石主要依靠聲子傳熱。而金剛石的晶界、雜質、空位、三聲子過程等對載熱聲子的平均自由程有不同程度的影響,導致相應的導熱能力(導熱系數)有差異。

      上表中給出的是不同類型的金剛石(膜)在300K的室溫下的導熱系數。實際上材料的導熱系數都是溫度的函數。對于常規的地面電子設備散熱溫區較小,一般導熱系數變化不大,可近似認為恒定值。但對于金剛石膜這種高性能材料,其應用場景可能更為特殊,所以有必要強調一下:材料的導熱系數是隨溫度變化的!比熱容也是隨溫度變化的!

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             好啦!金剛石膜的熱設計應用部分將在第二部分中介紹,敬請關注。

       

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