CN109897611A - 高热容液态金属导热材料及其制备方法、相变复合材料 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高热容液态金属导热材料及其制备方法、相变复合材料。所述高热容液态金属导热材料由液态金属和相变复合材料组成，所述高热容液态金属导热材料中液态金属的体积分数为50％～80％，所述相变复合材料由相变材料与载体复合而成，所述相变材料占所述相变复合材料质量的65％～85％。所述制备方法包括制备相变复合材料；将相变复合材料与液体金属混合，得到高热容液态金属导热材料。本发明的高热容液态金属导热材料导热快，吸热大，热容高，能够阻止设备温度的急剧上升，又可使得设备上的热被快速传递散发，整体导热效果显著提高，制备方法简单，可以实现大规模生产。

Description

高热容液态金属导热材料及其制备方法、相变复合材料

技术领域

本发明涉及导热材料技术领域，更具体地讲，涉及一种高热容液态金属导热材料及其制备方法、相变复合材料。

背景技术

液态金属由于具有耐高温、不易挥发、高热导率，熔点低，在常温条件下可流动等特点，被广泛应用于散热系统中。但液态金属的比热容比较小，也就是它在单位温度下吸收的热量少，不能快速将设备或设施上的热带走，造成设备温度升高过快、过高，进而降低设备的性能或损坏设备。尤其是电子行业的电子仪器、高精密仪器及大功率设备和设施的散热体系，散热不及时，直接影响设备的性能。因此，如何提高液态金属的散热速度是本领域人员致力于解决的难题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种导热快、吸热大、热容高的液态金属导热材料。

为了实现上述目的，本发明的一方面提供了一种高热容相变金属复合材料，所述高热容液态金属导热材料可以由液态金属以及分散在液态金属的相变复合材料组成，所述高热容液态金属导热材料中液态金属的体积分数可以为50％～80％，所述相变复合材料可以由相变材料与载体复合而成，所述相变材料可以占所述相变复合材料质量的65％～85％。

在本发明的高热容液态金属导热材料的一个示例性实施例中，所述液态金属可以包括镓、汞、镓基合金或镓铟基合金，所述镓基合金可以是镓铝合金、镓锡合金或镓铟合金，所述镓铟基合金可以是镓铟锡合金。

在本发明的高热容液态金属导热材料的一个示例性实施例中，所述相变材料可以包括烷烃类、脂肪酸类、无机盐或金属合金。

在本发明的高热容液态金属导热材料的一个示例性实施例中，所述相变材料可以包括石蜡、硬脂酸、硝酸钠、硝酸钾、氯化铁、铟铬合金、锌铝合金、镁锌合金、锡或铋。

在本发明的高热容液态金属导热材料的一个示例性实施例中，所述载体可以包括金属、金属氧化物或聚合物。

在本发明的高热容液态金属导热材料的一个示例性实施例中，所述载体可以包括多孔金属氧化物微球或泡沫金属，所述多孔金属氧化物微球的直径小于20μm，所述多孔金属氧化物微球可以包括多孔WO₃微球、多孔PbO微球、多孔SnO₂微球或多孔HfO₂微球，所述载体还可以为硅橡胶。

在本发明的高热容液态金属导热材料的一个示例性实施例中，所述相变复合材料可以为微米/纳米相变复合材料，所述微米/纳米相变复合材料可以为微米/纳米相变胶囊材料或无定形相变复合材料。

在本发明的高热容液态金属导热材料的一个示例性实施例中，所述相变材料与载体的复合可以为有机-无机相变复合材料、无机-无机相变复合材料或无机-有机相变复合材料。

在本发明的高热容液态金属导热材料的一个示例性实施例中，所述相变复合材料中的相变材料和载体可以通过物理或者化学方式进行复合。所述物理或者化学方式可以包括真空浸渍、吸附法制备或者电喷原位聚合。

本发明的另一方面提供了一种高热容液态金属导热材料制备方法，所述制备方法可以包括以下步骤：制备相变复合材料；将所述相变复合材料与液态金属混合，得到高热容液态金属导热材料，其中，所述高热容液态金属导热材料中液态金属体积分数为50％～80％，所述相变复合材料由相变材料与载体复合而成，所述相变材料占所述相变复合材料质量的65％～85％。所述相变材料可以为烷烃类、脂肪酸类、无机盐或金属合金，所述载体可以为金属、金属氧化物或聚合物。

本发明的再一方面提供了一种相变复合材料，所述相变复合材料可以由相变材料与载体复合而成，所述相变材料可以占相变复合材料质量的65％～85％，所述相变材料可以为烷烃类、脂肪酸类、无机盐或金属合金，所述载体可以为金属、金属氧化物或聚合物。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：本发明的高热容液态金属导热材料导热快，吸热大，热容高，能够阻止设备温度的急剧上升，又可使得设备上的热被快速传递散发，整体导热效果显著提高；所述制备方法简单，可以实现大规模生产。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例详细地描述根据本发明的高热容液态金属导热材料及其制备方法、相变复合材料。

具体来讲，针对本发明的高热容液态金属导热材料，一方面，液体金属热系数大，吸收热量快，能将热量快速传递给相变复合材料，由于相变复合材料具有大的相变热，相变过程可以吸收大量的热，同时保持使用其的设备温度不变，可以阻止设备温度的急剧上升，又可使得设备上的热被快速传递走；另一方面，本发明的相变复合材料类型及含量可以根据设备放热范围进行变化和调节，使得导热材料使用范围广，导热效率更高。

本发明的一方面提供了一种高热容液态金属导热材料。在本发明的高热容液态金属导热材料的一个示例性实施例中，所述导热材料由液态金属和相变复合材料混合而成。所述相变复合材料可以分散在所述液态金属中，进一步的，均匀分散在所述液态金属中，有利于导热材料的吸热均匀。

在本实施例中，所述高热容液态金属导热材料中的液态金属体积分数可以为50％～80％。在所述导热材料中，如果液态金属体积含量小于50％，会导致导热材料太粘稠不易流动；如果液体金属体积含量大于80％，会导致导热材料的吸热较小。进一步的，液体金属的体积分数可以为53％～76％，更进一步的，可以为59％～70％，例如，液态金属的体积比可以为57％，亦或者为73％。

在本实施例中，所述相变复合材料可以由相变材料和载体复合而成。所述相变材料可以占所述相变复合材料质量的65％～85％。对于相变材料的含量而言，相变材料的含量小于65％会导致材料吸热较小，整体吸热效果差；如果相变材料的含量大于85％会超过载体多能承受复合，导致相变材料流失。进一步的，所述相变材料在相变复合材料的质量含量可以为67％～83％，更进一步，质量含量可以为69％～80％，例如，质量含量可以为72％，再例如，可以为79％。

在本实施例中，所述相变材料与载体的复合可以为有机-无机相变复合、无机-无机相变复合或无机-有机相变复合，即所述相变复合材料可以是有机-无机相变复合材料、无机-无机相变复合材料或无机-有机相变复合材料。所述相变材料可以是有机物或者无机物，所述载体可以是有机物或者无机物。

在本实施例中，所述液态金属可以为镓、汞、镓基合金或镓铟基合金等。当然，本发明的液态合金不限于此，所述液态合金还可以为其他低熔点合金，例如，汞合金等。所述镓基合金可以为镓铝合金、镓锡合金或镓铟合金等。所述镓铝合金可以为镓(0.5％～1.5％，质量分数)铝合金、镓(7％～9％)锡合金、镓(22％～26％)铟合金。例如，可以是镓(1％)铝合金、镓(8％)锡合金、镓(24％)铟合金。所述镓铟基合金可以是镓(10.5％～22.5％)铟(15％～17％)锡合金，例如，可以是镓(21.5％)铟(16％)锡合金。

在本实施例中，所述相变复合材料可以为微/纳米相变复合材料。例如，微/纳米相变复合材料可以为微/纳米相变胶囊材料或无定形相变复合材料。采用微/纳米相变复合材料的颗粒小，接触面积大，相变复合材料的相变热大，能够促使液态金属从设备中快速吸收大量热，能够加速液态金属冷却设备的速度。

在本实施例中，所述相变材料可以为烷烃类、脂肪酸类、无机盐或金属合金等。例如，所述相变材料可以为固体石蜡、硝酸钠、硝酸钾、铟铬合金、锌铝合金、镁锌合金、锡或者铋等。当然，本发明的相变材料不限于此，例如，例如，正十八烷烃、十二酸、十八酸或两种相变材料的复配均可。

在本实施例中，所述载体可以为金属、金属氧化物或聚合物。所述载体可以为多孔金属氧化物微球或泡沫金属等。所述多孔金属氧化物微球的直径可以小于20μm。对于多孔金属氧化物微球的直径而言，孔径小有助于转热效果，但是孔径太小与导致储热效果不好，因此，本发明的多孔金属氧化物微球的直径可以小于20μm。进一步的，所述多孔金属氧化物微球的直径可以在5μm～18μm之间。更进一步的，所述多孔金属氧化物微球的直径可以在6.5μm～16μm之间。所述多孔金属氧化物微球可以为多孔WO₃微球，多孔PbO微球，多孔SnO₂微球，多孔HfO₂微球。所述载体还可以为硅橡胶等。

在本实施例中，所述相变复合材料中的相变材料可以通过物理或者化学方式与载体进行复合。例如，所述物理或化学的方式可以包括真空浸渍、吸附法制备或者电喷原位聚合等。当然，本发明的相变材料与载体的复合方式不限于此，其他可以复合的方式均可。

本发明的另一方面提供了一种高热容液态金属导热材料制备方法，在本发明的高热容液态金属导热材料制备方法的一个示例性实施例中，所述制备方法可以包括：

步骤S01，制备相变复合材料。

在本实施例中，所述相变复合材料可以与上述高热容液态金属导热材料示例性实施例中所描述的相变复合材料相同。针对不同的相变复合材料，所述制备方法可以为常规制备方法。

步骤S02，将为高热容液态金属导热材料体积分数50％～80％的液态金属与所述制备得到的相变材料混合，制备得到高热容液态金属导热材料。

在本实施例中，所述液态金属可以为上述高热容液态金属导热材料示例性实施例中所描述的液态金属。

本发明的再一方面提供了一种相变复合材料。在本发明的相变复合材料的一个示例性实施例中，所述相变复合材料可以由相变材料与载体复合而成，所述相变材料可以占相变复合材料质量的65％～85％，所述相变材料可以为烷烃类、脂肪酸类、无机盐或金属合金，所述载体可以为金属、金属氧化物或聚合物。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。

示例1

(1)取液态金属镓体积分数为75％。

(2)取直径10μm左右的多孔WO₃微球体积分数为25％。

(3)将固体石蜡切成小薄片溶于乙醚中，将多孔WO₃微球放入玻璃试管，抽真空，将体积稍大于多孔WO₃微球总体积乙醚石蜡溶液引入试管中，在真空条件下液体进入多孔WO₃微球孔道中。真空条件下乙醚挥发，固体石蜡析出，留在多孔WO₃微孔中，得到石蜡/WO₃微胶囊相变复合材料。在表面张力的作用下，石蜡很难从多孔WO₃微球中流出，在多孔WO₃微球中完成相变的转变。

(4)在模具中将液态金属镓和石蜡/WO₃微胶囊相变复合材料混合均匀，得到在室温到100℃范围内工作的高热容液态金属导热材料。上述导热材料使设备温度不会急速高于60℃，在60℃设备升温速率降低。

示例2

(1)取液态金属镓体积分数为55％。

(2)取直径10μm左右的多孔WO₃微球体积分数为45％。

(3)将固体石蜡切成小薄片溶于乙醚中，将多孔WO₃微球放入玻璃试管，抽真空，将体积稍大于多孔WO₃微球总体积乙醚石蜡溶液引入试管中，在真空条件下液体进入多孔WO₃微球孔道中。真空条件下乙醚挥发，固体石蜡析出，留在多孔WO₃微孔中，得到石蜡/WO₃微胶囊相变复合材料。在表面张力的作用下，石蜡很难从多孔WO₃微球中流出，在多孔WO₃微球中完成相变的转变。

(4)在模具中将液态金属镓和石蜡/WO₃微胶囊相变复合材料混合均匀，得到在室温到100℃范围内工作的高热容液态金属导热材料。上述导热材料使设备温度不会急速高于石蜡相变温度。

示例3

(1)分别称量质量分数为62.5％、21.5％和16％的镓、铟和锡固体颗粒，放入坩埚中混合均匀，在300℃，通Ar气的电阻炉中保温1h，搅拌均匀，Ar气保护下缓慢冷却室温得到镓铟锡液态合金金属。

(2)取镓铟锡液态合金金属体积分数为75％。

(3)取直径10μm左右的多孔WO₃微球体积分数为25％。

(4)将固体石蜡切成小薄片溶于乙醚中，将多孔WO₃微球放入玻璃试管，抽真空，将体积稍大于多孔WO₃微球总体积乙醚石蜡溶液引入试管中，在真空条件下液体进入多孔WO₃微球孔道中。真空条件下乙醚挥发，固体石蜡析出，留在多孔WO₃微孔中，得到石蜡/WO₃微胶囊相变复合材料。在表面张力的作用下，石蜡很难从多孔WO₃微球中流出，在多孔WO₃微球中完成相变的转变。

(5)在模具中将液态金属镓和石蜡/WO₃微胶囊相变复合材料混合均匀，得到在室温到100℃范围内工作的高热容液态金属导热材料。上述导热材料使设备温度不会急速高于石蜡相变温度。

示例4

(1)取液态金属镓体积分数为65％。

(2)取直径1μm左右的多孔HfO₂微球体积分数35％。

(3)将固体石蜡切成小薄片溶于乙醚中，将多孔HfO₂微球放入玻璃试管，抽真空，将体积稍大于多孔HfO₂微球总体积乙醚石蜡溶液引入试管中，在真空条件下液体进入多孔HfO₂微球孔道中。真空条件下乙醚挥发，固体石蜡析出，留在多孔HfO₂微孔中，得到石蜡/HfO₂微胶囊相变复合材料。在表面张力的作用下，石蜡很难从多孔HfO₂微球中流出，在多孔HfO₂微球中完成相变的转变。相变材料中石蜡的。

(4)在模具中将液态金属镓和石蜡/HfO₂微胶囊相变复合材料混合均匀，得到在室温到100℃范围内工作的高热容液态金属导热材料。上述导热材料使设备温度不会急速高于石蜡相变温度。

示例5

(1)取液态金属镓体积分数为65％。

(2)取铟纳米粉体积分数35％。

(3)铟纳米粉与硅橡胶按3:1体积混合均匀，电喷制备1μm-20μm硅橡胶包覆铟微球，紫外光固化，得到铟作为相变材料(156℃)的复合相变微胶囊材料。

(4)在模具中将65％液态金属和铟/硅橡胶复合相变材料混合均匀，得到在156℃附近工作的高热容液态金属导热材料，可以使大功率设备或设施的温度在160℃附近升温速率降低。

示例6

(1)取液态金属镓体积分数65％。

(2)取直径1μm左右的多孔HfO₂微球体积分数35％。

(3)配制饱和的硝酸钾溶液，将多孔HfO₂微球分散在该饱和溶液中，超声1分钟，放在80℃烘箱中干燥24小时，得到硝酸钾/HfO₂复合相变材料，硝酸钾作为300℃的相变材料。

(4)在模具中将65％液态金属和硝酸钾/HfO₂复合相变材料混合均匀，得到在300℃附近工作的高热容液态金属导热材料，可以使大功率设备或设施的温度在300℃附近升温速率降低。

综上所述，本发明的高热容液态金属导热材料比纯液态金属导热快，吸热大，热容高，能够阻止设备温度的急剧上升，又可使得设备上的热被快速传递散发，整体导热效果显著提高；可以针对不同的散热温度要求，提供相应的高热容液态金属导热材料；所述制备方法简单，可以实现大规模生产。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种高热容液态金属导热材料，其特征在于，所述高热容液态金属导热材料由液态金属以及分散在液态金属中的相变复合材料组成，所述高热容液态金属导热材料中液态金属的体积分数为50％～80％，所述相变复合材料由相变材料与载体复合而成，所述相变材料占所述相变复合材料质量的65％～85％。

2.根据权利要求1所述的高热容液态金属导热材料，其特征在于，所述液态金属包括镓、汞、镓基合金或镓铟基合金。

3.根据权利要求2所述的高热容液态金属导热材料，其特征在于，所述镓基合金包括镓铝合金、镓锡合金或镓铟合金，所述镓铟基合金包括镓铟锡合金。

4.根据权利要求1所述的高热容液态金属导热材料，其特征在于，所述相变材料包括烷烃类、脂肪酸类、无机盐或金属合金。

5.根据权利要求1或4所述的高热容液态金属导热材料，其特征在于，所述相变材料包括石蜡、硬脂酸、硝酸钠、硝酸钾、氯化铁、铟铬合金、锌铝合金、镁锌合金、锡或铋。

6.根据权利要求1所述的高热容液态金属导热材料，其特征在于，所述载体包括金属、金属氧化物或聚合物。

7.根据权利要求1或6所述的高热容液态金属导热材料，其特征在于，所述载体包括多孔金属氧化物微球或泡沫金属，所述多孔金属氧化物微球的直径小于20μm。

8.根据权利要求1所述的高热容液态金属导热材料，其特征在于，所述相变复合材料为微米/纳米相变复合材料，所述微米/纳米相变复合材料为微米/纳米相变胶囊材料或无定形相变复合材料。

9.一种高热容液态金属导热材料制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

制备相变复合材料；

将所述相变复合材料与液态金属混合，得到高热容液态金属导热材料，其中，所述高热容液态金属导热材料中液态金属体积分数为50％～80％，所述相变复合材料由相变材料与载体复合而成，所述相变材料占所述相变复合材料质量的65％～85％。

10.一种相变复合材料，其特征在于，所述相变复合材料由相变材料与载体复合而成，所述相变材料占相变复合材料质量的65％～85％，所述相变材料为烷烃类、脂肪酸类、无机盐或金属合金，所述载体为金属、金属氧化物或聚合物。