液态金属热界面复合材料及其制备方法

技术领域

本发明属于功能性复合材料领域，尤其涉及一种液态金属热界面复合材料及其制备方法。

背景技术

近年来，随着电子产品功耗的逐渐增加，电子设备的热管理被认为是一个关键问题。常用的选择是通过散热片去除过多的热量来实现热管理。然而，由于电子芯片与散热片之间较差的接触会使得二者之间的热阻较大，因此电子产品的热扩散系数降低。

通常为解决上述问题，一般可在电子芯片与散热片两者的空隙处填充一些热界面材料，以此来提高散热性能。但是随着现有的电子产品中微芯片功率的不断增大和微芯片尺寸的不断减小，电子元件的热流密度越来越大，由此也会带来热界面材料的热失效等问题。

传统的热界面材料主要为导热硅脂、硅胶垫、相变材料，通常以高分子材料为基体，通过添加导热填料来提高这些传统热界面材料的导热系数，但是导热系数最高也仅能提升到10W/m•K，它们的冷却能力还远远不能满足高性能电子元件的需求。

基于此，需要提出一种液态金属热界面复合材料及其制备方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出一种液态金属热界面复合材料及其制备方法，其能解决随着电子产品元件的热流密度越来越大而使热界面材料不能满足散热需求的技术问题。

一方面，本发明实施例公开了一种液态金属热界面复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将液态金属和无机材料混合研磨1～35min，使所述液态金属和所述无机材料混合均匀，得到混合物，其中，所述无机材料为六方结构的无机材料，所述无机材料为六方氮化铝、六方金刚石或六方碳化硅中的任意一种；

将所述混合物放入真空脱泡机中脱气泡1～3min，后得到所述液态金属热界面材料。

根据本发明的一个实施例，所述液态金属和所述无机材料的比例为：所述液态金属98～2重量份，所述无机材料2～98重量份。

根据本发明的一个实施例，所述液态金属为金属镓、金属铟、金属锡、金属铷、金属铯中的至少一种；或者，所述液态金属为金属银和/或金属铋与金属镓、金属铟、金属锡、金属铷、金属铯这五种金属中的至少一种形成的合金。

根据本发明的一个实施例，将所述液态金属和所述无机材料混合研磨2min。

根据本发明的一个实施例，制得的所述液态金属热界面材料的导热系数的数值范围为90～120W/m•K。

根据本发明的一个实施例，将所述混合物放入真空脱泡机中脱气泡2min。

根据本发明的一个实施例，所述液态金属的质量为19～21g，所述无机材料的质量为12～13g。

根据本发明的一个实施例，将所述液态金属和所述无机材料混合研磨为将所述液态金属和所述无机材料放入自动研磨机后进行研磨。

根据本发明的一个实施例，所述无机材料的颗粒的比表面积≤20.1546m

另一方面，本发明实施例还公开了一种液态金属热界面复合材料，其采用如上述任一项实施例所述的制备方法制备得到。

采用上述技术方案，本发明至少具有如下有益效果：

本发明提供的液态金属热界面复合材料及其制备方法，通过将液态金属和无机材料混合研磨，并将研磨后的混合物进行真空脱气泡，可以调控液态金属复合材料的导热系数和接触热阻。而且该无机材料为六方结构的无机材料，液态金属和该无机材料在混合研磨的过程中液态金属的原子会扩散进入无机材料的晶格内部而且进入无机材料晶格内部的液态金属的原子会使得无机材料的六方结构解离为二维的层状结构，形成了一个液态金属-无机材料过渡区域，由于这个过渡区域的存在，使得本发明提供的制备方法制得的液态金属热界面复合材料的导热系数大大增加以及使得制得的液态金属热界面复合材料的接触热阻大大减小。

本发明提供的液态金属热界面复合材料可以广泛应用于高功率集成电子设备、航空航天发动机等散热领域。另外，本发明提供的液态金属热界面复合材料的制备方法操作过程简单，易于实现工业化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明模拟验证的氮化铝六方晶格解离为二维层状结构的示意图；

图2为本发明实施例1与对比例1中不同研磨时间情况下获得的LM/AlN液态金属热界面复合材料的导热系数和接触热阻的测试数据柱状图，其中，（a）为实施例1与对比例1中不同研磨时间情况下获得的LM/AlN液态金属热界面复合材料的导热系数的测试数据柱状图，（b）为实施例1与对比例1中不同研磨时间情况下获得的LM/AlN液态金属热界面复合材料的接触热阻的测试数据柱状图；

图3为本发明实施例1、实施例2、实施例3、对比例2和对比例3中不同研磨时间情况下获得的液态金属热界面复合材料的导热系数的测试数据折线图；

图4为本发明实施例1、实施例2、实施例3、对比例2和对比例3中不同研磨时间情况下获得的液态金属热界面复合材料的接触热阻的测试数据折线图；

图5为纯镓铟锡银合金液态金属、硅脂、实施例1中研磨2min情况下获得的LM/AlN液态金属热界面复合材料、实施例2中研磨2min情况下获得的LM/h-C液态金属热界面复合材料和实施例3中研磨2min情况下获得的LM/h-SiC液态金属热界面复合材料的导热系数与接触热阻的测试数据柱状图，其中，（a）为纯镓铟锡银合金液态金属的导热系数、硅脂的导热系数和实施例1-3均研磨2min情况下获得的三种液态金属热界面复合材料的导热系数的测试数据柱状图，（b）为纯镓铟锡银合金液态金属的导热系数、硅脂的导热系数和实施例1-3均研磨2min情况下获得的三种液态金属热界面复合材料的接触热阻的测试数据柱状图；

图6为实施例5中制备得到的三种液态金属热界面复合材料的导热系数与接触热阻的测试数据柱状图，其中，（a）为实施例5中制备得到的三种液态金属热界面复合材料的导热系数的测试数据柱状图，（b）为实施例5中制备得到的三种液态金属热界面复合材料的接触热阻的测试数据柱状图；

图7是实施例4中制备得到的LM/AlN液态金属热界面复合材料、对比例4中制备的LM/Al

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明实施例进一步详细说明。

需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

根据本发明的第一方面，本发明一实施例公开了一种液态金属热界面复合材料的制备方法，包括如下步骤：

将液态金属和无机材料混合研磨1～35min，使液态金属和无机材料混合均匀，得到混合物，其中，无机材料为六方结构的无机材料，无机材料为六方氮化铝、六方金刚石或六方碳化硅中的任意一种；

将混合物放入真空脱泡机中脱气泡1～3min，后得到液态金属热界面材料。

本发明实施例提供的液态金属热界面复合材料及其制备方法，通过将液态金属和无机材料混合研磨，并将研磨后的混合物进行真空脱气泡，可以调控液态金属复合材料的导热系数和接触热阻。而且该无机材料为六方结构的无机材料，液态金属和该无机材料在混合研磨的过程中液态金属的原子会扩散进入无机材料的晶格内部而且进入无机材料晶格内部的液态金属的原子会使得无机材料的六方结构解离为二维的层状结构，形成了一个液态金属-无机材料过渡区域，由于这个过渡区域的存在，使得通过本发明提供的制备方法制得的液态金属热界面复合材料的导热系数大大增加以及使得制得的液态金属热界面复合材料的接触热阻大大减小。

参见附图1，本发明以镓铟锡银合金液态金属和六方氮化铝制备复合材料为例，利用VASP（Vienna Ab-initio Simulation Package，电子结构计算和量子力学-分子动力学模拟软件包）软件进行第一性原理计算，模拟验证了镓铟锡银合金与六方氮化铝在经过研磨后，液态金属中的镓原子扩散进入氮化铝晶格内部使得氮化铝六方晶格解离为了二维层状结构。

在本发明的实施例中，通过实验发现，若将液态金属和无机材料混合研磨后的混合物进行真空脱气泡处理会使获得的液态金属热界面复合材料的导热系数明显高于未进行脱气泡处理获得的复合材料；而且进行真空脱气泡处理会使获得的液态金属热界面复合材料的接触热阻明显低于未进行脱气泡处理获得的复合材料。例如可以参见附图2，以镓铟锡银合金液态金属和六方氮化铝制备复合材料为例，制备的过程中分别进行脱气泡处理和未进行脱气泡处理后获得的复合材料之间的导热系数数值的比较（参见图2（a））和接触热阻数值的比较（参见图2（b））。

因为在液态金属和无机材料混合研磨的过程中会有空气进入混合物中，空气的导热率非常低，所以如果所获得的复合材料中混有空气会对所获得的复合材料的导热系数有很明显的影响，如果进行脱气泡处理，则复合材料在进行热流传导的过程中就会使热流只在复合材料中进行传导，而避免在混有的空气中传导而影响复合材料的导热系数。

在一些实施例中，液态金属和无机材料的比例为：液态金属98～2重量份，无机材料2～98重量份。在另一些实施例中，液态金属的质量为19～21g，无机材料的质量为12～13g。

在一些实施例中，液态金属为金属镓、金属铟、金属锡、金属铷、金属铯中的至少一种；或者，液态金属为金属银和/或金属铋与金属镓、金属铟、金属锡、金属铷、金属铯这五种金属中的至少一种形成的合金。

在一些实施例中，将液态金属和无机材料混合研磨2min。例如参见附图2，以镓铟锡银合金液态金属和六方氮化铝制备复合材料为例，制备的过程中分别进行脱气泡处理和未进行脱气泡处理，由图2得知，制备复合材料的过程中不论是否进行脱气泡处理，将液态金属和无机材料混合研磨2min的情况下所获得的复合材料的导热系数数值均最高（参见图2（a）），以及将液态金属和无机材料混合研磨2min的情况下所获得的复合材料的接触热阻数值均最低（参见图2（b））。

在一些实施例中，制得的液态金属热界面材料的导热系数的数值范围为90～120W/m•K。

在一些实施例中，将混合物放入真空脱泡机中脱气泡2min。例如，参见附图2，以镓铟锡银合金液态金属和六方氮化铝制备复合材料为例，制备的过程中分别进行脱气泡处理和未进行脱气泡处理，由图2得知，在制备复合材料的过程中，将混合物放入真空脱泡机中脱气泡2min的情况下所获得的复合材料的导热系数数值更高（参见图2（a）），以及将混合物放入真空脱泡机中脱气泡2min的情况下所获得的复合材料的接触热阻数值更低（参见图2（b））。

在一些实施例中，将液态金属和无机材料混合研磨为将液态金属和无机材料放入自动研磨机后进行研磨。

在一些实施例中，无机材料的颗粒的比表面积≤20.1546m

根据本发明的第二方面，本发明一实施例公开了一种液态金属热界面复合材料，采用如上述任一项实施例公开的制备方法制备得到。

下面参考具体实施例，对本发明进行描述，需要说明的是，这些实施例仅仅是描述性的，而不以任何方式限制本发明。

实施例1

液态金属-六方氮化铝（LM/AlN）液态金属热界面复合材料的制备：

将12g六方氮化铝和20g镓铟锡银合金液态金属加入自动研磨机中，分别研磨1min、研磨2min、研磨4min、研磨10min、研磨20min、研磨30min，分别混合均匀，分别得到研磨不同时间的混合物。为了去除混合物中的气泡，分别将混合物放入真空脱泡机中脱气泡2min，脱气泡后即可得到分别研磨不同时间后的LM/AlN液态金属热界面复合材料。该实施例中六方氮化铝的颗粒的比表面积为0.2614m

实施例2

液态金属-六方金刚石（LM/h-C）液态金属热界面复合材料的制备：

将13g六方金刚石和20g镓铟锡银合金液态金属加入自动研磨机中，分别研磨1min、研磨2min、研磨4min、研磨10min、研磨20min、研磨30min，分别混合均匀，分别得到研磨不同时间的混合物。为了去除混合物中的气泡，分别将混合物放入真空脱泡机中脱气泡2min，脱气泡后即可得到研磨不同时间后的LM/h-C液态金属热界面复合材料。该实施例中六方金刚石的颗粒的比表面积为2.3112m

实施例3

液态金属-六方碳化硅（LM/h-SiC）液态金属热界面复合材料的制备：

将12g六方碳化硅和20g镓铟锡银合金液态金属加入自动研磨机中，分别研磨1min、研磨2min、研磨4min、研磨10min、研磨20min、研磨30min，分别混合均匀，分别得到研磨不同时间的混合物。为了去除混合物中的气泡，分别将混合物放入真空脱泡机中脱气泡2min，脱气泡后即可得到研磨不同时间后的LM/h-SiC液态金属热界面复合材料。该实施例中六方碳化硅的颗粒的比表面积为1.6284m

实施例4

将液态金属-六方氮化铝（LM/AlN）液态金属热界面复合材料用红外热像仪直观表征传热能力：

将实施例1研磨2min制备得到的液态金属-六方氮化铝（LM/AlN）液态金属热界面复合材料放置在红外热像仪配备的加热陶瓷片上，加热陶瓷片通电后，分别记录LM/AlN液态金属热界面复合材料表面平均温度与陶瓷片表面平均温度。

实施例5

液态金属-六方氮化铝（LM/AlN），液态金属-六方金刚石（LM/h-C），液态金属-六方碳化硅（LM/h-SiC）液态金属热界面复合材料的制备：

分别将12g六方氮化铝和20g镓铟锡合金液态金属、13g六方金刚石和20g镓铟锡合金液态金属以及12g六方碳化硅和20g镓铟锡液态金属加入自动研磨机中，研磨2min，分别混合均匀，分别得到三种混合物。该实施例中六方氮化铝的颗粒的比表面积为0.2614m

对比例1

液态金属-六方氮化铝（LM/AlN）液态金属热界面复合材料的制备：

将12g六方氮化铝和20g镓铟锡银合金液态金属加入自动研磨机中，分别研磨1min、研磨2min、研磨4min、研磨10min、研磨20min、研磨30min，分别混合均匀，分别得到研磨不同时间的混合物，后续不进行脱气泡处理即得到分别研磨不同时间后的LM/AlN液态金属热界面复合材料。该实施例中六方氮化铝的颗粒的比表面积为0.2614m

对比例2

液态金属-立方金刚石（LM/c-C）液态金属热界面复合材料的制备：

将13g立方金刚石和20g镓铟锡银合金液态金属加入自动研磨机中，分别研磨1min、研磨2min、研磨4min、研磨10min、研磨20min、研磨30min，分别混合均匀，分别得到研磨不同时间的混合物。为了去除混合物中的气泡，分别将混合物放入真空脱泡机中脱气泡2min，脱气泡后即可得到研磨不同时间后的LM/c-C复合材料。通过测试得到该对比例分别研磨不同时间后获得的液态金属热界面复合材料的导热系数分别为：35.13W/m•K（研磨1min）、35.20W/m•K（研磨2min）、35.69W/m•K（研磨4min）、35.89W/m•K（研磨10min）、36.12W/m•K（研磨20min）、35.42W/m•K（研磨30min）。通过测试得到该对比例分别研磨不同时间后获得的液态金属热界面复合材料的接触热阻分别为：8.72mm

对比例3

液态金属-氧化铝（LM/Al

将13g氧化铝和20g镓铟锡银合金液态金属加入自动研磨机中，分别研磨1min、研磨2min、研磨4min、研磨10min、研磨20min、研磨30min，分别混合均匀，分别得到研磨不同时间的得到混合物。为了去除混合物中的气泡，分别将混合物放入真空脱泡机中脱气泡2min，脱气泡后即可得到研磨不同时间后的LM/Al

对比例4

将液态金属-氧化铝（LM/Al

将对比例3研磨2min制备得到的液态金属-氧化铝（LM/Al

性能测试结果及分析

参见附图2，通过比较实施例1与对比例1的测试数据，可以得出在制备液态金属热界面复合材料时，在研磨后进行真空脱气泡这一过程十分重要。脱气泡处理后获得的LM/AlN复合材料的导热系数明显高于未脱气泡处理后获得的LM/AlN复合材料的导热系数；脱气泡处理后获得的LM/AlN复合材料的接触热阻明显低于未脱气泡处理后获得的LM/AlN复合材料的接触热阻。而且，制备复合材料的过程中不论是否进行脱气泡处理，将液态金属和无机材料混合研磨2min的情况下所获得的复合材料的导热系数数值均最高，以及将液态金属和无机材料混合研磨2min的情况下所获得的复合材料的接触热阻数值均最低。

参见附图3，通过比较实施例1、实施例2、实施例3与对比例2、3的导热系数的测试数据，可以得出具有六方结构的无机材料可以显著提高液态金属热界面复合材料的导热系数。也说明了本发明公开的制备方法中选择具有六方结构的无机材料的重要性。

参见附图4，通过比较实施例1、实施例2、实施例3与对比例2、对比例3的接触热阻的测试数据，可以得出具有六方结构的无机材料可以显著降低液态金属热界面复合材料的接触热阻。也说明了本发明公开的制备方法中选择具有六方结构的无机材料的重要性。

参见附图5，通过比较纯镓铟锡银合金液态金属、硅脂、实施例1中研磨2min后的LM/AlN液态金属热界面复合材料、实施例2中研磨2min后的LM/h-C液态金属热界面复合材料和实施例3中研磨2min后的LM/h-SiC液态金属热界面复合材料的导热系数与接触热阻的测试数据，说明了根据本发明提供的制备方法制备的液态金属热界面复合材料具有很高的导热系数和很低的接触热阻。

参见附图6，实施例5选择的液态金属为镓铟锡合金，通过附图6中的测试数据，可以得出该液态金属制备的三种液态金属热界面复合材料的同样具有较高的导热系数和较低的接触热阻。

参见附图7，通过比较实施例4与对比例4的红外热像仪表面平均温度，可以看出实施例4中制备的LM/AlN液态金属热界面复合材料表面平均温度始终与陶瓷加热器的表面平均温度相持平，该复合材料具有很好的传热能力。而对比例4中制备的LM/Al

综上所述，本发明实施例通过将液态金属和无机材料混合研磨，并将研磨后的混合物进行真空脱气泡，可以调控液态金属复合材料的导热系数和接触热阻。而且该无机材料为六方结构的无机材料，液态金属和该无机材料在混合研磨的过程中液态金属的原子会扩散进入无机材料的晶格内部而且进入无机材料晶格内部的液态金属的原子会使得无机材料的六方结构解离为二维的层状结构，形成了一个液态金属-无机材料过渡区域，由于这个过渡区域的存在，使得通过本发明提供的制备方法制得的液态金属热界面复合材料的导热系数大大增加以及使得制得的液态金属热界面复合材料的接触热阻大大减小。

本发明提供的液态金属热界面复合材料可以广泛应用于高功率集成电子设备、航空航天发动机等散热领域。另外，本发明提供的液态金属热界面复合材料的制备方法操作过程简单，易于实现工业化生产。

需要特别指出的是，上述各个实施例中的各个组件或步骤均可以相互交叉、替换、增加、删减，因此，这些合理的排列组合变换形成的组合也应当属于本发明的保护范围，并且不应将本发明的保护范围局限在所述实施例之上。

以上是本发明公开的示例性实施例，上述本发明实施例公开的顺序仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。但是应当注意，以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。根据这里描述的公开实施例的方法权利要求的功能、步骤和/或动作不需以任何特定顺序执行。此外，尽管本发明实施例公开的元素可以以个体形式描述或要求，但除非明确限制为单数，也可以理解为多个。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本发明实施例公开的范围（包括权利要求）被限于这些例子；在本发明实施例的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明实施例的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明实施例的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明实施例的保护范围之内。