Com a rápida iteração do poder de computação da IA e os crescentes desafios de dissipação de calor em chips-de última geração, o diamante de condutividade térmica ultra-alta está emergindo como um material semicondutor promissor. A excepcional condutividade térmica do diamante decorre de sua microestrutura única, que depende principalmente das vibrações da rede para transferência de calor. As ligações C-C extremamente fortes entre os átomos de carbono, combinadas com a pequena massa atômica do carbono, restringem os átomos a vibrações próximas ao mínimo de energia potencial,-dotando o diamante de uma condutividade térmica extraordinariamente alta. Enquanto isso, todos os elétrons de valência do diamante participam da ligação e não podem se mover livremente, conferindo-lhe um excelente isolamento elétrico. Esta dupla característica de “alta condutividade térmica + isolamento” amplia ainda mais seu escopo de aplicação.
Pós de diamante em escala micro- ou nanométrica-, caracterizados por distribuição concentrada de tamanho de partícula, morfologia bem{2}}definida, alta pureza, poucos defeitos internos e condutividade térmica extremamente alta, podem ser incorporados em materiais de matriz-de metal para uso como dissipadores de calor, substratos{4}}de difusão de calor, etc. Eles também servem como enchimentos funcionais em materiais de interface térmica (TIMs), como graxas térmicas, adesivos térmicos e almofadas térmicas.
Preparação de micropó de diamante
Atualmente, o principal método industrial para a produção de micropós de diamante é a rota de britagem estática de alta-temperatura e alta-pressão (HPHT): partículas de diamante de cristal único-de granulação grossa sintetizadas via HPHT são usadas como matéria-prima, que são então submetidas a processos de britagem, purificação e classificação.
(1) Síntese de diamante– O método HPHT normalmente opera em altas temperaturas (1300–1700 graus) e altas pressões (5–7 GPa), usando pó de grafite e pós de catalisador metálico como principais matérias-primas. Sob a ação do catalisador, a fonte de carbono (grafite) é transformada em diamante.
(2) Esmagando e modelando– Os processos de britagem e modelagem afetam diretamente o formato das partículas e o rendimento dos tamanhos de partículas alvo. Geralmente, a redução de matérias-primas grosseiras para tamanhos mícron ou submícron é alcançada por dois métodos básicos: impacto mecânico e moagem a jato.
(3) Classificação– A classificação do tamanho das partículas é uma etapa crítica na produção de micropó de diamante, influenciando tanto a eficiência da produção quanto a qualidade do produto. Muitos fabricantes atualmente combinam sedimentação natural e centrifugação para produzir micropós-completos, desde finos até grossos.
Aplicação térmica 1: O enchimento termicamente condutor ideal
As cargas de diamante são dispersas em matrizes poliméricas (por exemplo, silicones, resinas epóxi) para formar compósitos, que preenchem lacunas microscópicas entre-componentes geradores de calor e dissipadores de calor, reduzem a resistência térmica de contato e estabelecem redes contínuas de condução de calor para dissipar rapidamente o calor acumulado. Como principal matéria-prima em TIMs, como graxas térmicas, almofadas e encapsulantes, o pó de diamante determina diretamente a eficiência e a estabilidade do sistema de gerenciamento térmico.
Aplicação térmica 2: Compósitos de metal/diamante-de alto desempenho
Aproveitando a alta condutividade térmica, o baixo coeficiente de expansão térmica e a baixa densidade do diamante, os pesquisadores estão desenvolvendo ativamente compósitos de matriz metálica reforçados com partículas de diamante para aplicações de alta condutividade térmica. As excelentes propriedades termofísicas dos compósitos de diamante/metal os tornam altamente promissores para embalagens eletrônicas. A pesquisa atual concentra-se principalmente em métodos de fabricação, como metalurgia do pó e infiltração de líquidos. Os compósitos de diamante/alumínio processados convencionalmente alcançam condutividades térmicas de 250–600 W/(m·K), enquanto os compósitos de diamante/cobre podem atingir 420–900 W/(m·K).
O pó de diamante é a principal matéria-prima que determina o limite superior da condutividade térmica do compósito; sua qualidade, tamanho de partícula e morfologia cristalina afetam diretamente o desempenho do produto final. Da mesma forma, a baixa compatibilidade interfacial entre matrizes de diamante e metal-levando a um espalhamento severo de fônons nas interfaces-limita a condutividade térmica composta. Isso pode ser mitigado otimizando os processos de fabricação, modificando a rugosidade superficial e os estados químicos das partículas de diamante para melhorar a ligação interfacial ou introduzindo camadas de transição interfacial por meio de liga de matriz ou metalização superficial de partículas de diamante.
Com uma base industrial sólida e vastas oportunidades de mercado, inúmeras empresas nacionais estão acelerando a pesquisa e desenvolvimento e a industrialização de materiais compostos de gerenciamento térmico à base de diamante.