CN113564446A - 一种室温多相共存液态金属热界面材料及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于室温液多相态金属领域，具体为一种室温多相共存液态金属热界面材料及制备方法。本专利采用金属质量比，镓（Ga）16.75~57.43%，铋（Bi）4.73~24.83%，铟（In）24.90~43.60%，锡（Sn）12.94~14.82%，将不同质量比的金属混合物置于石英玻璃杯中混合均匀，置于真空干燥箱内真空保持≤5.0×10^‑2 Pa，温度保持在60℃，不断搅拌10~30min形成CaBiInSn四元合金，冷却至室温。本发明实现室温下为多相（液相、固相、膏相）混合液态金属的制备，保持液态金属的流动性、柔韧性和自我修复性，并且其反射率、导电率、功函数、热导率、粘附性得到很大程度提高，通过直写的方式可以在柔性塑料PI、PET、PVC、纸张等基质上制备柔性金属薄膜，制备方法简单，成本相对较低，减少合金元数量实现性能易控。在温度传感、柔性电子、印刷电子等领域具有重要的应用。

Description

一种室温多相共存液态金属热界面材料及制备方法

技术领域

本发明涉及一种室温多相共存液态金属热界面材料及制备方法，属于室温液多相态金属领域。

背景技术

液态金属是在室温甚至低温下保持液态的金属材料，具有高沸点、反射率高、热导率高、导电性好、安全无毒等特点，特别是其柔韧性、流动性和自愈特性，突破了许多常规材料的技术瓶颈，在众多领域得到了广泛应用，包括能源、柔性电子、液态金属天线、冷却剂、微流体和生物医学等。

然而，与水或其他溶液等常规液体相比，液态金属的表面张力较高。因此，很难根据需要粘附和扩散到目标基质上，液态金属薄膜的制备中往往需要借助其他复杂工序。例如，液态金属柔性薄膜的制备需要依靠复杂的化学反应或通过其他材料进行转移印刷，工序复杂，性能波动较大。此外，液态金属的高流动性使得液态金属很容易从固体基质表面滑落。因此需要对液态金属的表面、结构和性能进行优化，以进一步促进液态金属的应用和推广。总体而言，液态金属的相变对表面形貌、结构、附着力、表面功函数、光学性质、电学性质和导热性。多相液态金属材料可以同时拥有纯液体和固体材料的优点，它们具有可靠的成型和拉伸强度，液态金属相与表面形貌、结构和性能之间存在互调关系。

最常见的低熔点合金主要包括镓基合金和铋基合金。镓与其他金属如铟 (In)、锡(Sn) 和锌 (Zn) 等结合可以形成室温液态金属合金，如：Ga₆₇In_20.5Sn_12.5是一种稳定的镓基液态金属合金，熔点为10.5℃，在低温下还与多种材料具有化学相容性，包括塑料、橡胶和玻璃。它还具有比汞 (Hg)、铅 (Pb) 和镓基二元合金等更好的冷却和处理性能。铋基合金的熔点为40～273℃，其中Bi_33.1In_51.3Sn_15.6化学性质稳定，无毒，熔点60℃。这种材料可以通过室温下的快速固液相转变用作刚度调节材料。使用镓和铋基合金可以合成新型室温多相液态金属，多相液态金属的结构和性能是可以调节的。

近年来，人们对多相液态金属有一定的研究。如：专利（专利号：201310640397.6）一种三相液态金属材料及其制备方法，重量百分数的组分组成In 10～16%，Bi 5~15%，Sn 6～12%，Ag 2～4%，镓为余量，将镓在塑料或者玻璃容器内熔化，温度保持在80℃，然后将其它金属按配比的量分别加入到镓中，并不断的搅拌，直到所有金属完全溶解为止。专利（专利号：201310640624.5）一种五相液态金属材料及其制备方法，重量百分数的组分组成In10～15%，Bi 5～10%，Sn 6～10%，Zn 3～10%，Cu 2～4%，Ag 2～4%，镓为余量，先将镓在塑料或者玻璃容器内熔化，温度保持在80℃，然后将其它金属按配比的量分别加入到镓中并不断的搅拌，直到所有金属完全溶解为止，专利（专利号：201310640464.4）一种含锌的多相液态金属热界面材料及其制备方法，由铟、铋、锡和锌组成，其重量百分数为30~40% 铋，10~20%锡，10~20%锌，余量为铟。本发明设计的多相结构液态金属热界面材料为四元合金，在室温和轧制温度下具有完全的固态结构。在工作温度下处于液固状态。在工作状态下，固相的含量在60%左右止。相比之下，目前多相液态金属多为五元及以上合金，通过成分进行相变和性能控制较为困难，制备温度较高镓易氧化，相变温度较高，缺陷较大。

本专利根据液态金属表面张力大，难于在固体机智表面附着，易滑落等技术困难，发明了一种室温多相共存液态金属热界面材料及制备方法，采用镓（Ga），铋（Bi），铟（In），锡（Sn）合成四元合金。通过调节各组分的质量比，可以精确控制多相液态金属（分别为液相、固相和膏相）的表面形貌、结构和性能，保持相间的动态平衡。可以通过直接写入制备稳定的多相液态金属薄膜，在各个领域具有广泛的潜在应用。

发明内容

针对背景技术提出的问题，本发明提供了一种室温多相共存液态金属热界面材料及制备方法，这种方法将液态金属带入多相混合，高性能，高粘附性。其技术方案实现包括：采用镓（Ga）质量占比为16.75~57.43%，铋（Bi）质量占比为4.73~24.83%，铟（In）质量占比为24.90~43.60%，锡（Sn）质量占比为12.94~14.82%。

上述一种室温多相共存液态金属热界面材料及制备方法，包括如下步骤：将不同质量比的四元金属置于石英玻璃杯中混合均匀，置于真空干燥箱内真空保持≤5.0×10^-2Pa，温度保持在60℃，不断搅拌10~30min，形成GaBiInSn四元合金，冷却至室温。

与现有技术相比，本发明有如下优势：

室温下为多相（液相、固相、膏相）混合液态金属，保持液态金属的流动性、柔韧性和自我修复性，并且其反射率、导电率、功函数、热导率、粘附性得到很大程度提高，通过直写的方式可以在柔性塑料PI、PET、PVC、纸张等基质上制备柔性金属薄膜，室温下相与相之间时刻进行转变，各相组分随组成元素质量比不同，环境温度不同有所差异，性能也随之改变，制备方法简单，成本相对较低，减少合金元数量实现性能易控。在温度传感、柔性电子、印刷电子等领域具有重要的应用。

附图说明：

图1为本发明提出的一种室温多相共存液态金属热界面材料及图片

图2为本发明提出的一种室温多相共存液态金属热界面材料制备方法流程图

图3为本发明提出的一种室温多相共存液态金属热界面材料SEM图

具体实施方式：

实施例1

本实施例按以下步骤：

采用Ga₆₇In_20.5Sn_12.5合金（熔点为10.5℃）和Bi_33.1In_51.3Sn_15.6合金（熔点为60℃），通过质量比调控实现镓（Ga）33.50%，铋（Bi）16.55%，铟（In）35.90%，锡（Sn）14.05%的质量配比，将配置好的金属合金材料成分混合后置于石英玻璃杯中，放置到真空干燥箱内真空抽致2.0×10^-2 Pa，温度加热至60℃保温，搅拌10min，冷却至25℃取出，材料保持为多相（固相、液相、膏相）液态金属，具有良好的粘附性，接触角为117°，功函数为4.58~4.60eV，反射率为70~73%，电阻率为4.0~4.2×10^-7W·m，通过直写在PI柔性衬底上制备了电极。

实施例2

本实施例按以下步骤：

采用Ga₆₇In_20.5Sn_12.5合金（熔点为10.5℃）和Bi_33.1In_51.3Sn_15.6合金（熔点为60℃），通过质量比调控实现镓（Ga）50.25%，铋（Bi）8.28%，铟（In）28.20%，锡（Sn）13.27%的质量配比，将配置好的金属合金材料成分混合后置于石英玻璃杯中，放置到真空干燥箱内真空抽致2.0×10^-2 Pa，温度加热至60℃保温，搅拌15min，冷却至25℃取出，材料保持为多相（固相、液相、膏相）液态金属，具有良好的粘附性，接触角为94°，功函数为4.74~4.76eV，反射率为75~78%，电阻率为2.8~3.0×10^-7W·m，通过直写在PI柔性衬底上制备了电极。

实施例3

本实施例按以下步骤：

采用Ga₆₇In_20.5Sn_12.5合金（熔点为10.5℃）和Bi_33.1In_51.3Sn_15.6合金（熔点为60℃），通过质量比调控实现镓（Ga）57.43%，铋（Bi）4.73%，铟（In）24.90%，锡（Sn）12.94%的质量配比，将配置好的金属合金材料成分混合后置于石英玻璃杯中，放置到真空干燥箱内真空抽致2.0×10^-2 Pa，温度加热至60℃保温，搅拌10min，冷却至25℃取出，材料保持为多相（固相、液相、膏相）液态金属，具有良好的粘附性，接触角为125.5°，功函数为4.63~4.66eV，反射率为63~69%，电阻率为4.3~4.5×10^-7W·m，通过直写在PI柔性衬底上制备了电极。

Claims (1)

1.一种室温多相共存液态金属热界面材料及制备方法，其特征是：采用金属质量比，镓（Ga）16.75~57.43%，铋（Bi）4.73~24.83%，铟（In）24.90~43.60%，锡（Sn）12.94~14.82%，将不同质量比的金属混合物置于石英玻璃杯中混合均匀，置于真空干燥箱内真空保持≤5.0×10^-2 Pa，温度保持在60℃，不断搅拌10~30min形成CaBiInSn四元合金，冷却至室温。

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