Con la rapida iterazione della potenza di calcolo dell'intelligenza artificiale e le crescenti sfide di dissipazione del calore nei chip di fascia alta-, il diamante a conducibilità termica ultra-alta sta emergendo come materiale semiconduttore promettente. L'eccezionale conduttività termica del diamante deriva dalla sua microstruttura unica, che si basa principalmente sulle vibrazioni del reticolo per il trasferimento del calore. I legami C–C estremamente forti tra gli atomi di carbonio, combinati con la piccola massa atomica del carbonio, limitano gli atomi a vibrazioni vicine al minimo energetico potenziale-dotando il diamante con una conduttività termica straordinariamente elevata. Nel frattempo, tutti gli elettroni di valenza del diamante partecipano al legame e non possono muoversi liberamente, garantendogli un eccellente isolamento elettrico. Questa duplice caratteristica “alta conducibilità termica + isolamento” ne amplia ulteriormente il campo di applicazione.
Le polveri di diamante su scala micron- o nanometrica-, caratterizzate da una distribuzione granulometrica concentrata, una morfologia ben-definita, un'elevata purezza, pochi difetti interni e una conduttività termica estremamente elevata, possono essere incorporate in materiali a matrice metallica-per l'uso come dissipatori di calore, substrati di diffusione del calore-ecc. Fungono anche come riempitivi funzionali nei materiali di interfaccia termica (TIM) come grassi termici, adesivi termici e cuscinetti termici.
Preparazione della micropolvere di diamante
Attualmente, il metodo industriale principale per la produzione di micropolveri di diamante è il percorso di frantumazione statico ad alta-temperatura-alta pressione (HPHT): particelle di diamante monocristallo a grana grossa-sintetizzate tramite HPHT vengono utilizzate come materia prima, che vengono poi sottoposte a processi di frantumazione, purificazione e classificazione.
(1) Sintesi del diamante– Il metodo HPHT funziona tipicamente a temperature elevate (1300–1700 gradi) e pressioni elevate (5–7 GPa), utilizzando polvere di grafite e polveri di catalizzatori metallici come materie prime principali. Sotto l'azione del catalizzatore, la fonte di carbonio (grafite) si trasforma in diamante.
(2) Frantumazione e modellatura– I processi di frantumazione e modellatura influiscono direttamente sulla forma delle particelle e sulla resa delle dimensioni delle particelle target. Generalmente, la riduzione delle materie prime grossolane a dimensioni micron o submicron si ottiene mediante due metodi di base: impatto meccanico e fresatura a getto.
(3) Classificazione– La classificazione delle dimensioni delle particelle è un passaggio fondamentale nella produzione di micropolveri di diamante, poiché influenza sia l’efficienza produttiva che la qualità del prodotto. Molti produttori attualmente combinano la sedimentazione naturale e la centrifugazione per produrre-una gamma completa di micropolveri, dalla grana fine a quella grossolana.
Applicazione termica 1: il riempitivo termicamente conduttivo ottimale
I riempitivi diamantati vengono dispersi in matrici polimeriche (ad es. siliconi, resine epossidiche) per formare compositi, che riempiono gli spazi microscopici tra i componenti che generano calore-e i dissipatori di calore, riducono la resistenza termica di contatto e stabiliscono reti continue di conduzione del calore per dissipare rapidamente il calore accumulato. Essendo la materia prima fondamentale nei TIM quali grassi termici, cuscinetti e incapsulanti, la polvere di diamante determina direttamente l'efficienza e la stabilità del sistema di gestione termica.
Applicazione termica 2: compositi diamante/metallo-ad alte prestazioni
Sfruttando l'elevata conduttività termica, il basso coefficiente di dilatazione termica e la bassa densità del diamante, i ricercatori stanno sviluppando attivamente compositi a matrice metallica rinforzati con particelle di diamante per applicazioni ad alta conduttività termica. Le eccezionali proprietà termofisiche dei compositi diamante/metallo li rendono molto promettenti per l'imballaggio elettronico. La ricerca attuale si concentra principalmente su metodi di fabbricazione come la metallurgia delle polveri e l'infiltrazione di liquidi. I compositi diamante/alluminio trattati convenzionalmente raggiungono conduttività termiche di 250–600 W/(m·K), mentre i compositi diamante/rame possono raggiungere 420–900 W/(m·K).
La polvere di diamante è la materia prima chiave che determina il limite superiore della conduttività termica del composito; la sua qualità, dimensione delle particelle e morfologia dei cristalli influiscono direttamente sulle prestazioni del prodotto finale. Allo stesso modo, la scarsa compatibilità interfacciale tra matrici di diamante e metallo-che porta a una grave diffusione di fononi alle interfacce-limita la conduttività termica del composito. Ciò può essere mitigato ottimizzando i processi di fabbricazione, modificando la ruvidità superficiale e gli stati chimici delle particelle di diamante per migliorare il legame interfacciale o introducendo strati di transizione interfacciali tramite lega di matrice o metallizzazione superficiale delle particelle di diamante.
Con una solida base industriale e vaste opportunità di mercato, numerose imprese nazionali stanno accelerando la ricerca e lo sviluppo e l'industrializzazione di materiali compositi per la gestione termica a base di diamante-.