עם האיטרציה המהירה של כוח מחשוב בינה מלאכותית ואתגרי פיזור החום המתגברים בשבבים-מתקדמים, יהלום מוליכות תרמית גבוהה במיוחד- מתגלה כחומר מוליכים למחצה מבטיח. המוליכות התרמית יוצאת הדופן של יהלום נובעת ממבנה המיקרו הייחודי שלו, המסתמך בעיקר על רעידות סריג להעברת חום. קשרי C-C החזקים במיוחד בין אטומי פחמן, בשילוב עם המסה האטומית הקטנה של פחמן, מגבילים אטומים לתנודות הקרובות למינימום האנרגיה הפוטנציאלית-מעניקים ליהלום מוליכות תרמית גבוהה במיוחד. בינתיים, כל אלקטרוני הערכיות ביהלום משתתפים בהתקשרות ואינם יכולים לנוע בחופשיות, מה שמעניק לו בידוד חשמלי מעולה. מאפיין כפול זה של "מוליכות תרמית גבוהה + בידוד" מרחיב עוד יותר את היקף היישום שלו.
אבקות יהלומים בקנה מידה של מיקרון- או ננומטר-, המאופיינת בחלוקת גודל חלקיקים מרוכזת, מורפולוגיה מוגדרת היטב, טוהר גבוה, מעט פגמים פנימיים ומוליכות תרמית גבוהה במיוחד, ניתנות לשילוב בחומרי מטריצת מתכת- לשימוש כמשטחי קירור,-חום כמשטחי מילוי וכדומה. (TIMs) כגון שומנים תרמיים, דבקים תרמיים ורפידות תרמיות.
הכנת מיקרו-אבקת יהלום
נכון לעכשיו, השיטה התעשייתית העיקרית לייצור מיקרו-אבקות יהלומים היא נתיב הריסוק הסטטי-בטמפרטורה גבוהה-גבוהה (HPHT): חלקיקי יהלום חד-גבישיים- גסים-מסונתזים באמצעות HPHT, משמשים כחומר הזנה, אשר עוברים לאחר מכן עיבוד, טיהור וטיהור.
(1) סינתזת יהלומים– שיטת HPHT פועלת בדרך כלל בטמפרטורות גבוהות (1300-1700 מעלות) ובלחצים גבוהים (5-7 GPa), תוך שימוש באבקת גרפיט ואבקות זרז מתכת כחומרי גלם עיקריים. תחת פעולת הזרז, מקור הפחמן (גרפיט) הופך ליהלום.
(2) ריסוק ועיצוב– תהליכי הריסוק והעיצוב משפיעים ישירות על צורת החלקיקים ועל התפוקה של גדלי חלקיקי המטרה. בדרך כלל, הפחתת חומרי הזנה הגסים לגדלים של מיקרון או תת-מיקרון מושגת על ידי שתי שיטות בסיסיות: השפעה מכנית וכרסום סילון.
(3) מִיוּן- סיווג גודל החלקיקים הוא שלב קריטי בייצור מיקרו-אבקת יהלומים, המשפיע הן על יעילות הייצור והן על איכות המוצר. יצרנים רבים משלבים כיום שקיעה טבעית וצנטריפוגה כדי לייצר מיקרו-אבקות-מלאות מדרגות עדינות ועד גסות.
יישום תרמי 1: המילוי המוליך תרמי האופטימלי
חומרי מילוי יהלומים מפוזרים במטריצות פולימריות (למשל, סיליקונים, שרפים אפוקסי) ליצירת חומרים מרוכבים, הממלאים פערים מיקרוסקופיים בין רכיבי חום-היוצרים וגוף חום, מפחיתים את ההתנגדות התרמית למגע, ומקימים רשתות הולכת חום מתמשכות לפיזור מהיר של חום שנצבר. כחומר הגלם הליבה ב-TIMs כגון שומנים תרמיים, רפידות וחומרי כיסוי, אבקת יהלומים קובעת ישירות את היעילות והיציבות של מערכת הניהול התרמית.
יישום תרמי 2: חומרי יהלום/מתכת בעלי ביצועים גבוהים-
תוך מינוף המוליכות התרמית הגבוהה של היהלום, מקדם ההתפשטות התרמית הנמוך והצפיפות הנמוכה, חוקרים מפתחים באופן פעיל חומרים מרוכבים של מתכת-מטריקס המחוזקים בחלקיקי יהלום עבור יישומים עם מוליכות תרמית גבוהה. המאפיינים התרמו-פיזיים הבולטים של חומרים מרוכבים יהלומים/מתכת הופכים אותם למבטיחים מאוד עבור אריזה אלקטרונית. המחקר הנוכחי מתמקד בעיקר בשיטות ייצור כגון מתכות אבקה וחדירת נוזלים. חומרי יהלום/אלומיניום המעובדים באופן קונבנציונלי משיגים מוליכות תרמית של 250-600 W/(m·K), בעוד שרכיבי יהלום/נחושת יכולים להגיע ל-420-900 W/(m·K).
אבקת יהלומים היא חומר הגלם העיקרי הקובע את הגבול העליון של מוליכות תרמית מורכבת; האיכות, גודל החלקיקים ומורפולוגיית הגביש שלו משפיעים ישירות על ביצועי המוצר הסופי. באופן דומה, תאימות ממשק לקויה בין מטריצות יהלום ומתכת-מובילה לפיזור פונון חמור בממשקים-מגבילה מוליכות תרמית מורכבת. ניתן למתן את זה על ידי אופטימיזציה של תהליכי הייצור, שינוי חספוס פני השטח והמצבים הכימיים של חלקיקי יהלום כדי לשפר את הדבקת הממשק, או החדרת שכבות מעבר למשטחים באמצעות סגסוגת מטריצה או מתכת פני השטח של חלקיקי יהלום.
עם בסיס תעשייתי מוצק והזדמנויות שוק עצומות, ארגונים מקומיים רבים מאיצים את המו"פ והתיעוש של חומרי ניהול תרמיים מרוכבים מבוססי יהלומים-.