CN110042293A - 一种含锌新型低熔点合金材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种含锌新型低熔点合金材料，按原子百分比其组成为75‑80％镓、10‑15％铟、6‑10％锡和0.1‑5％锌。此种合金材料制备方法简便，在常温环境中能稳定保持液态，具有凝固点低、熔点低、沸点高、电阻率小、导电性好、热导率高、不挥发、流动性好、不易燃易爆和无毒环保等优良特性，适合替代有毒水银的使用，作为冷却材料有着广阔的应用前景。

Description

一种含锌新型低熔点合金材料

技术领域

本发明属于液态金属领域，尤其涉及一种含锌新型低熔点合金材料。

背景技术

现如今，电子元器件得到飞速发展，出现在各行各业及其各个装置之中，如电容器，散热器，半导体分器件印刷电路板等等，其走向越来越朝向微型化，集成化和高频化。这些电力电子器件工作时的功率损耗会引起电力电子器件的发热、升温，而期间温度过高将会缩短期器件寿命，甚至限制电子器件电流电压容量。此外，电力电子器件工作时产生的热量通过散热器散发到冷却介质中，现今电力电子器件常用的冷却方式有自冷式、风冷式、液体冷却式和蒸发冷却式，其原理都是自然对流和热辐射来散热。这些电子器件的发展和散热方法对电子元器件的散热效率提出了巨大的挑战。目前，在各个装置的冷却剂中，大多数使用汞，以水银作为冷却介质。此外，水银亦是作为导电介质应用于倾侧开关中。众所周知，汞具有很强的毒性和挥发性，一旦泄露，对人体会造成巨大的危害。因此，具有凝固点低、熔点低、沸点高、电阻率小、导电性好、热导率高、不挥发、流动性好、不易燃易爆和无毒环保的冷却剂介质迫在眉睫。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种含锌新型超低熔点合金材料。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种含锌新型低熔点合金材料，所述含锌新型低熔点合金材料包括镓、铟、锡和锌，按照原子百分比75-80at％、10-15at％、6-10at％和0.1-5％组成，所述含锌新型低熔点合金材料熔点达到7-9℃。

进一步地，所述制备方法包括以下步骤：

(1)按照所述原子百分比称量镓、铟、锡和锌,将称量得到的镓、铟、锡和锌置于玻璃管中；

(2)将玻璃管置于加热炉中加热直至镓、铟、锡和锌全部融化并混合均匀,自然冷却至室温，得到所述含锌新型低熔点合金材料。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果如下：(1)所选取的各元素成分比例是由实验所获得的，使得熔点范围在7-9℃，当某种元素所占比例过高或者过低，其熔点均会高于9℃，也就无法合成含锌低熔点的新型合金材料。(2)该含锌新型低熔点合金材料凝固点低至-17.9℃，熔点在7-9℃，过冷液相区较大。因此该含锌新型低熔点合金材料能在0℃以上稳定保持液态，且此液态金属元素构成为Ga、In、Sn、Zn，相比较水银，具有蒸气压低、导电性好、热导率高、流动性佳、表面张力大、无毒环保、不易燃易爆等优良特性，能适应电子元器件散热系统的工作状态，且可作为导电介质替代水银应用于倾侧开关中。

附图说明

图1为电导率测量中盛装含锌新型低熔点合金材料的简易实验装置；

图2为所发明的含锌新型低熔点合金材料的熔点和凝固点测试热流-温度曲线图；

图3为实施例2的EDS能谱图。

具体实施方式

以下结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。本发明的含锌新型低熔点合金材料可作为冷却液应用在电子元器件散热系统中，也可作为导电介质替代水银。

实施例1～10含锌新型低熔点合金材料的原料纯度均≧99.99％，其配比见下表：

表1实施例1～10含锌新型低熔点合金材料的原料配方原子百分比

实施例1～10的含锌新型低熔点合金材料的制备方法如下：

(1)使用分析天平按照表1的配比分别称量镓、铟、锡和锌，将称量得到的镓、铟、锡和锌置于玻璃管中；

(2)再把玻璃管置于加热炉中加热直至镓、铟、锡和锌全部融化并混合均匀，自然冷却至室温，即得到所述含锌新型低熔点合金材料。

本发明的含锌新型低熔点合金材料的物理性质测量方法如下：

一种测定含锌新型低熔点合金材料密度的方法：在常温下，选用量程为10mL的量筒，采用量筒法测量密度。之后使用origin软件，以液体的体积为横坐标，质量为纵坐标作点图并拟合曲线，所得曲线斜率即为含锌新型低熔点合金材料的密度。

一种测定含锌新型低熔点合金材料表面张力的方法：在常温下，使用视频光学接触角表界面张力测量仪测得含锌新型低熔点合金材料的表面张力，主要方法为悬滴法。

一种测定含锌新型低熔点合金材料的粘度的方法：在常温下，使用乌氏粘度计测得含锌新型低熔点合金材料的动力粘度，测3次取平均值。

一种测定含锌新型低熔点合金材料电导率的方法：

1.如图1所示，为电导率测量中盛装含锌新型低熔点合金材料的简易实验装置；用盛装含锌新型低熔点合金材料的简易圆柱体装置，在主体侧面并排开4个大小相同的孔，插上铜线作为电极；

2.将盛装液体的装置平放，用绝缘夹具固定，放入恒温箱中，将直流电流源的引线分别接在装置左右靠边的两个外电极上，纳伏表的引线分别接在中间的两个内电极上，在恒定电流为0.5A的情况下，每隔5秒记录一次电压值并换算成电阻，输出至文档中，读取文档中所有的电阻值取平均后乘上圆柱装置主体内腔的横截面积，再除去中间两个内电极之间的距离，即得到液体的电阻率，电阻率的倒数即为含锌新型低熔点合金材料的电导率。

本发明的含锌新型低熔点合金材料的热性能测量方法如下：

一种测定含锌新型低熔点合金材料熔点、凝固点和熔化焓的方法：

1.测试仪器为差式扫描量热仪，参数设定为：先在-50℃保温10min，再升温至50℃，保温5min后再降温至-50℃，变温速率为10℃/min，氩气作保护气，气体流量为20mL/min；

2.选取两个相近质量的空坩埚，用针筒取5-18mg的含锌新型低熔点合金材料注入其中之一坩埚，记录质量，盖上盖子压片，将装有含锌新型低熔点合金材料的坩埚放入差示扫描量热仪旋盖内一侧的槽中，另一侧槽中是空坩埚做参照，按照步骤1设定参数测试得到热流-温度曲线和热流-时间曲线(如图2所示)；

3.将数据用origin软件作图，热流-温度曲线熔化峰的初始点即为含锌新型低熔点合金材料的熔点，凝固峰的初始点即为含锌新型低熔点合金材料的凝固点，热流-时间曲线归一化后熔化峰的面积积分即为含锌新型低熔点合金材料的熔化焓。

一种测定含锌新型低熔点合金材料比热容的方法：测试仪器为差示扫描量热仪，设定温度为20℃保温5min，然后升温至25℃保温5min，再升温至30℃，升温速率为5℃/min，氩气作保护气，流量为20mL/min。按此程序分别测空坩埚、蓝宝石(Al₂O₃)、合金样品，分别得到三者的热流-温度曲线。根据公式(1)可得含锌新型低熔点合金材料的比热容C_p：

其中A为液体样品热流-温度曲线的积分面积，A_b为空坩埚即基线热流-温度曲线的积分面积，m为合金样品的质量，上标带*表示蓝宝石。

一种测定含锌新型低熔点合金材料热导率的方法：已测得含锌新型低熔点合金材料的电导率，根据公式(2)可得含锌新型低熔点合金材料的热导率λ：

其中σ_e为含锌新型低熔点合金材料的电导率，κ_B为玻尔兹曼常数，T为温度，e为元电荷取-1.6×10^-19C。

测试实施例1～10的凝固点、熔点和熔化焓，结果如表2所示。

表2实施例1～10含锌新型低熔点合金材料的凝固点、熔点和熔化焓

从表2中可以看出，本发明的含锌新型低熔点合金材料凝固点可低至-23.6℃，熔点较低，因此在常温或普通低温环境中可稳定地保持液态。以优选的实施例2的含锌新型低熔点合金材料为对象，进一步测试其物理性质和其他热性能。

如图3所示，为实施例2的EDS能谱图，可以看出其中各元素的原子百分比分别为Ga76.49at％、In 12.42at％、Sn 7.73at％、Zn 3.36at％，这与我们的实验结果基本吻合，在误差范围之内。

实施例2含锌新型低熔点合金材料的物理性质及其他热性能列于表3。

表3实施例2含锌新型低熔点合金材料的物理性质、比热容及热导率

物理性质	实施例2液体
		密度(g·cm<sup>-3</sup>)	6.20±0.05<sup>a)</sup>
表面张力(N·m<sup>-1</sup>)	0.639<sup>b)</sup>
		粘度(Pa·s)	3.97×10<sup>-3d)</sup>
电导率(S·m<sup>-1</sup>)	3.864×10<sup>6c)</sup>
		比热容(J·K<sup>-1</sup>·mol<sup>-1</sup>)	29<sup>e)</sup>
热导率(W·m<sup>-1</sup>·K<sup>-1</sup>)	27.52<sup>c)</sup>

注：a)～20℃；b)～15℃；c)～17.5℃；d)～28.5℃；e)～22℃。

从表3中可以看出，实施例2中所述含锌新型低熔点合金材料的表面张力较大，流动性较好，热导率很高，适合作为电子元器件散热的冷却液；电导率很大，能够代替水银作为导电介质。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种含锌新型低熔点合金材料，其特征在于，所述含锌新型低熔点合金材料包括镓、铟、锡和锌，按照原子百分比75-80at％、10-15at％、6-10at％和0.1-5％组成，所述含锌新型低熔点合金材料熔点达到7-9℃。

2.根据权利要求1所述的含锌新型低熔点合金材料的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

(1)按照所述原子百分比称量镓、铟、锡和锌,将称量得到的镓、铟、锡和锌置于玻璃管中；

(2)将玻璃管置于加热炉中加热直至镓、铟、锡和锌全部融化并混合均匀,自然冷却至室温，得到所述含锌新型低熔点合金材料。