С стремительным развитием науки и техники алмаз, благодаря своим превосходным акустическим, оптическим, электрическим и тепловым свойствам, называют «суперматериалом», который демонстрирует широкие перспективы применения во многих областях. Являясь самым твердым веществом в природе,
алмаз не только обладает широкой запрещенной зоной и широким диапазоном пропускания света, но и проявляет химическую инертность по отношению к большинству веществ, что позволяет ему стабильно работать в экстремальных условиях, таких как высокие температуры, высокое давление и высокие частоты.
Что касается тепловых свойств, алмаз занимает особое место: его теплопроводность является одной из самых высоких в природе. При комнатной температуре теплопроводность алмаза достигает 2000–2200 Вт/м·К, что в 4
раз, кремния (Si) — в 13 раз, арсенида галлия (GaAs) — в 43 раза, а также в 4–5 раз выше, чем у меди и серебра. В современных высокомощных электронных и оптоэлектронных устройствах (таких как приложения 5G, высокоскоростные вычисления или высокомощные полупроводниковые чипы)
огромное количество тепла, генерируемое на крайне малой площади, создает серьезные проблемы с отводом тепла. Для быстрого решения проблем охлаждения необходимо использовать радиаторы или теплопроводящие покрытия, изготовленные из материалов с высокой теплопроводностью, которые размещаются на источниках тепла (таких как радиаторы, вентиляторы,
теплоотводы и т. д.). Благодаря своей чрезвычайно высокой теплопроводности, крайне низкому коэффициенту теплового расширения, а также изоляционным свойствам при комнатной температуре алмаз стал идеальным выбором в области управления тепловым режимом.
В области терморегулирования алмаз применяется преимущественно в двух формах: во-первых, в виде алмазной пленки, а во-вторых, в качестве теплопроводящего наполнителя. В настоящее время теплопроводящие алмазные наполнители в основном используются в двух основных направлениях: в металло-алмазных композитных материалах и в теплопроводящих межфазных материалах.
Металло-алмазные композитные материалы
Благодаря тому, что алмаз выступает в качестве армирующей фазы, его чрезвычайно высокая теплопроводность (при комнатной температуре достигает 600–2200 Вт/м·К) обеспечивает металло-алмазным композитным материалам превосходные теплопроводящие свойства. Например, при объемной доле алмаза в композите «алмаз/медь» равной 35 % его коэффициент теплопроводности может достигать 602 Вт/м·К. Такая высокая теплопроводность делает этот материал идеальным для применения в условиях, требующих эффективного отвода тепла, таких как электронные корпуса и высокомощные электронные устройства. Кроме того, низкий коэффициент теплового расширения алмаза (около 2,3×10⁻⁶ K⁻¹) в сочетании с металлической матрицей (например, медью или алюминием) позволяет эффективно снизить коэффициент теплового расширения композита, уменьшить изменения размеров материала при перепадах температуры и, таким образом, повысить стабильность и надежность оборудования.
Теплопроводящий гель на основе алмаза
Как и в случае с другими теплопроводящими гелями, качество алмазного теплопроводящего геля в значительной степени зависит от зрелости и точности технологического процесса его изготовления. Такие факторы, как размер частиц наполнителя, объемная доля наполнителя и процесс модификации, оказывают существенное влияние на общие теплопроводящие свойства геля.
Контроль размера частиц: размер частиц алмаза не должен быть слишком мал (менее 10 микрометров), иначе будет сложно сформировать эффективную цепочку теплопроводности.
Объемная доля наполнителя: объемная доля наполнителя должна быть умеренной; если она слишком мала, площадь контакта будет недостаточной, что затруднит формирование эффективной цепочки теплопроводности; если она слишком велика, гель не сможет полностью пропитать поверхность частиц алмаза, что приведет к образованию пустот и ухудшит теплопроводность.
Модификационная обработка: Модификация является обязательным этапом при подготовке наполнителя для алмазного теплопроводящего геля; в противном случае частицы с высокой поверхностной активностью будут склонны к агломерации и не смогут равномерно диспергироваться в органической полимерной смоле, что приведет к ухудшению характеристик геля.
