CN116117130B - 一种表面张力降低的液态金属复合物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面张力降低的液态金属及其制备方法和应用，将液态金属与氮化硼、石墨烯、碳纤维等导热粉体混合制备，得到具有高导热性能的液态金属复合导热材料。按照质量份数包括：液态金属75～96.5份、球形钨颗粒0.5～5份、导热粉体3～20份；其中，金属钨纳米颗粒起到降低液态金属表面张力的作用；经过搅拌脱泡后液态金属与导热粉体形成连续的导热路径，且复合材料的粘度大大增加，降低了液态金属泄露短路的风险并提高了液态金属导热膏的稳定性。本发明利用金属钨纳米颗粒成功降低了液态金属的表面张力，提高了液态金属与其他导热粉体的浸润性与亲和性，并且还可以结合其他导热粉体，扩大液态金属的用途。
Description
技术领域
本发明涉及热界面材料领域，特别是涉及一种表面张力降低的液态金属及其制备方法和应用，能够显著降低液态金属的表面张力，提高对导热粉体及固体表面的浸润性，从而改善液态金属复合导热膏的界面，降低液态金属渗出导致电子设备短路等风险，提高复合导热膏的导热系数，并可应用于热界面材料和印刷电子等领域。
背景技术
科技的快速发展使电子设备变得更快、更小、更高的功率密度，然而其发热量也越来越高，由于不完全的表面接触，在热源和散热器的界面上总是出现空气间隙，空气的热导率只有0.026 W m-1 K-1，阻碍了从热源到散热器的有效热量传输。通过应用热界面材料来填充空气间隙，可以降低界面的接触电阻，提高导热性能。
镓基液态金属由于其高热导率和室温下的流动状态，作为用于热管理的热界面材料引起了极大的兴趣。然而，镓的表面张力过高，无法润湿热源和散热器的表面，直接应用液态金属存在很大的困难和风险，包括液态金属泄漏引起的器件短路。
用高导热增强颗粒填充液态金属不仅可以进一步增强导热率，同时还可以降低流动性以减少液态金属泄露风险。然而，液态金属的高表面张力也使得难以将液态金属和导热增强颗粒很好地接触以制备复合热界面材料。
研究人员目前正在探索使用金属颗粒，如铜、铁、镍、镁、银、钨作为降低液态金属表面张力的第二相，同时也可作为导热增强颗粒，减少渗漏并提高液态金属的热导率。这种技术有如下缺点：1、目前报道的大多数金属颗粒会形成金属间化合物，产生额外的界面热阻，随着时间的延长会导致失效。2、金属与金属之间的混合也导致了导电性仍然存在，造成电子设备的短路。3、金属材料作为导热填料势必会大量使用，造成成本飙升，不利于大规模工业化生产。因此，需要开发一种稳定、成本低的方法来降低液态金属表面张力，进而为开发液态金属导热膏打下基础。
发明内容
本发明通过提供一种表面张力降低的液态金属及其制备方法和应用，解决了现有技术中液体金属表面张力高而导致的很难浸润低表面的固体导热粉体以及泄露问题。
为解决上述技术问题，本发明一种表面张力降低的液态金属，原料按照质量份数，包括：液态金属75～96.5份、金属钨纳米颗粒0.5~5 份、导热粉体3～20份。其中，所述金属钨纳米颗粒能够降低液态金属的表面张力，进而增加液态金属与导热粉体亲和性，增强液态金属复合材料的导热性能。
在本发明一较佳实施例中，所述液态金属为熔点在-40～60℃的液态金属。
所述液态金属为金属镓或其合金。优选的为，所述液态金属选自镓基合金。
进一步的，所述液态金属选自镓铟合金、镓铟锡合金中的至少一种。
其中，所述金属钨纳米颗粒，粒径在10~100纳米，优选20纳米。
其中，所述导热粉体包括氮化硼、碳纤维、石墨烯、氧化铝、氮化铝、氧化锌、碳化硅中的至少一种。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种表面张力降低的液态金属的制备方法，包括如下步骤：
先将配方量的所述金属钨纳米颗粒与高表面张力的液态金属第一次搅拌，得到经过纳米钨降低表面张力后的液态金属与导热粉体进行第二次搅拌，形成嵌入导热粉体的液态金属复合物，该复合物即为所述高性能液态金属导热膏。
所述搅拌混合的工艺条件为：采用行星式搅拌脱泡器，搅拌速度为1000转每分，搅拌时间为5分钟。
本发明获得的产物，作为导热材料。
本发明的有益效果是：本发明的提供的一种表面张力降低的液态金属及其制备方法和应用，利用金属钨纳米颗粒在液态金属基体内形成微/纳界面，降低了液态金属的表面张力，有效提高了液态金属与导热粉体的亲和能力，增加了复合材料的导热路径与粘度，避免析油和液态金属渗出，产品易于存储、延长保质期，在导热性能测试中表现出了良好的导热系数，拓展了液态金属的应用场景。
附图说明
图1是本发明实施例1所描述的混有金属钨纳米颗粒的液态金属与氮化硼压片的接触角；
图2是本发明实施例1所描述的液态金属与氮化硼压片的接触角；
图3是本发明实施例1所描述的混合有金属钨纳米颗粒液态金属氮化硼复合导热膏的数码照片；
图4是本发明实施例1所描述的混合有金属钨纳米颗粒液态金属氮化硼复合导热膏的扫描电子显微镜照片；
图5是对比例1所得的液态金属与氮化硼混合所制备的粉末的数码照片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
一种表面张力降低的液态金属，包括如下质量份数的组分：
液态金属75～96.5份，所述液态金属为熔点在-40～60℃的液体金属，优选为熔点在-40～30℃的液体金属，包括镓铟合金、镓铟锡合金等；
钨0.5~5 份，所述钨为纳米级、微米级中的一种，优选纳米级球形钨，具体地，所述钨粒径为10~100纳米。
导热粉体3～20份，所述导热粉体包括氮化硼、碳纤维、石墨烯中的至少一种；具体地，为了获得更高的导热系数，所述导热粉体的粒径为5～50微米。
上述一种表面张力降低的液态金属的制备方法，包括如下步骤：
先将配方量的所述液态金属及纳米钨加入到脱泡混合设备中，高速搅拌混合，1000转每分，搅拌时间为5分钟。
然后向上述行星式脱泡混合设备中再加入配方量的所述的导热粉体，在上述相同的搅拌条件下，使被钨降低表面张力之后的液态金属与导热粉体充分浸润，粉体嵌在液态金属里，控制粉体与液态金属的比例使复合材料仍然具有良好的流动性。
实施例1
将0.1克粒径为20纳米的金属钨纳米颗粒与9.3克液态金属镓铟锡合金放入行星式搅拌脱泡机中，混合速度为1000转每分，混合时间为5分钟，获得混有金属钨纳米颗粒的液态金属。
为了确定混有金属钨纳米颗粒的液态金属能够改善与固体表面的接触，使用微量进样器将液态金属镓铟锡合金滴到氮化硼压片的表面，使用静滴接触角测量仪计算出两者的接触角，接触角记录为105°，如图1所示。
相对应的，无金属钨纳米颗粒的液态金属与氮化硼压片的接触角为133°，如图2，表明混合金属钨纳米颗粒后，液态金属与固体表面的接触显著改善。
进一步，向上述表面张力被降低的液态金属导热基体中加入0.6克5微米氮化硼，放入搅拌杯中，在行星式搅拌脱泡机中搅拌，搅拌速度为1500转每分，搅拌时间为10分钟，获得液态金属复合导热膏，如图。其扫描电子下显微镜图如图4所示。
将上述方法获得的液态金属氮化硼复合导热膏涂抹在导热仪上，测试其导热系数，测试压力为50 N，冷极温度为20℃，热极温度为70℃，导热系数14.5 W m-1 K-1。
实施例2
将0.1克粒径为20纳米的金属钨纳米颗粒与8.3克液态金属镓铟锡合金放入行星式搅拌脱泡机中，混合速度为1000转每分，混合时间为5分钟，获得混有金属钨纳米颗粒的液态金属。
进一步，向上述表面张力被降低的液态金属导热基体中加入1.6克粒径为10微米的石墨烯，放入搅拌杯中，在行星式搅拌脱泡机中搅拌，搅拌速度为2000转每分，搅拌时间为15分钟，获得液态金属石墨烯复合导热膏。
将上述方法获得的液态金属复合导热膏涂抹在导热仪上，在测试上述灰色膏状材料的导热系数，测试压力为50 N，冷极温度为20℃，热极温度为70℃，导热系数17.3 W m-1K-1。
实施例3
将0.1克粒径为20纳米的金属钨纳米颗粒与8.7克液态金属镓铟锡合金放入行星式搅拌脱泡机中，混合速度为1000转每分，混合时间为5分钟，获得混有金属钨纳米颗粒的液态金属。
进一步，向上述表面张力被降低的液态金属导热基体中加入1.2克长度为50微米的碳纤维，放入搅拌杯中，在行星式搅拌脱泡机中搅拌，搅拌速度为1000转每分，搅拌时间为10分钟，获得液态金属碳纤维复合导热膏。
将上述方法获得的液态金属复合导热膏涂抹在导热仪上，在测试上述灰色膏状材料的导热系数，测试压力为50 N，冷极温度为20℃，热极温度为70℃，导热系数23.8 W m-1K-1。
对比例1
将0.6克粒径为5微米的氮化硼与9.4克液态金属镓铟锡合金放入搅拌杯中，搅拌速度为1500转每分，搅拌时间为5分钟，无法获得膏状液态金属氮化硼复合物，产物为黑色粉末，实物如图5所示。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (5)
1.一种表面张力降低的液态金属复合物的制备方法，各原料的组分按照质量份数为：液态金属75～96.5份、金属钨纳米颗粒0.5~5份、导热粉体3～20份；所述液态金属的熔点为10～60℃的液态金属；
其特征在于，先将所述的金属钨纳米颗粒与液态金属第一次混合搅拌，再加入导热粉体进行第二次混合搅拌，形成嵌入导热粉体的液态金属；
所述液态金属为金属镓或其合金；
所述导热粉体包括氮化硼、碳纤维、石墨烯、氧化铝、氮化铝、氧化锌、碳化硅中的至少一种。
2.根据权利要求1所述的一种表面张力降低的液态金属复合物的制备方法，其特征在于，所述金属钨纳米颗粒，粒径在10~100纳米。
3.权利要求1所述的一种表面张力降低的液态金属复合物的制备方法，其特征在于，原料搅拌混合，采用行星式搅拌脱泡器高速混合，搅拌速度为500~2000转每分，搅拌时间为3~20分钟。
4.权利要求1到3任一项制备方法所得的表面张力降低的液态金属复合物。
5.权利要求4所述的一种表面张力降低的液态金属复合物的应用，其特征在于，作为导热材料。
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