CN114525431B - 一种铝基相变储热合金复合材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种铝基相变储热合金复合材料及其制备方法。该复合材料由铝合金和相变储热合金复合构成，其中，铝合金作为连续的基体，承担结构材料和封装材料的功能，以及承担导热通道的功能；铋基合金呈不连续的颗粒状，承担储热的功能。该复合材料按照体积百分比计的组成：铝合金占比为40～70％，铋基相变储热合金占比为30～60％，所述复合材料外层整体包覆有铝合金层。采用半固态压铸的方式制备出该复合材料，采用表面浸润的方式获得的表面铝合金层本发明的铝基相变储热合金复合材料实现了结构功能和储热功能一体化的设计，特别适合封装空间有较高限制的散热场合，热响应速率快，对空间要求小，利于装备的整体设计。

Description

一种铝基相变储热合金复合材料及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铝基相变储热合金复合材料及其制备方法，属于相变储热材料技术领域。
背景技术
电子设备的散热问题已经成为制约其发展的主要技术瓶颈，有统计数据表明电子器件的温度每升高10℃，其失效率将增大1倍，温度每升高25℃，失效率将增大10倍。55％的电子器件失效都是因温度而引起，因此高功率电子设备散热问题亟待解决。当前，解决电子设备散热的主要思路是把热量快速从热源导离，这主要依赖高导热低膨胀的热沉材料和低热阻热界面材料来实现。但是在某些封装空间受限的应用场合，无法提供容纳和消耗从热源导离的热量的空间。相变储热材料为此种工况下的散热提供了解决方案，相变储热材料是利用材料的物相转变的物理过程吸收环境的热量，将设备满负荷或超负荷状态下产生的热量就近存储起来，待设备低负荷运行时再缓慢释放，从而实现系统热量的“移峰填谷”，保证设备的正常运行。
目前用于相变储热的材料主要包括有机类和合金类。与有机物相变储热材料和非金属无机物相变储热材料相比，合金类相变储热材料的体积潜热大，导热率高，热响应速率快，相变体积变化率较低，物化性质稳定。合金类相变储热材料特别适合受体积限制较强、瞬时发热较大的应用场景。同等储热量条件下，合金类相变储热材料的热响应更快，空间占用更小。此外，合金类相变储热材料的稳定性和封装可靠性较好，利于长期储存。在实际使用中，任何相变储热材料都无法同时担当结构材料的角色，因为相变材料在储热时会由固态转变为液态，从而失去基本的强度。因此，相变材料需要整体被封装起来，依附于结构材料，这不仅增加了设备的复杂性，还占用了封装空间。并且，因为储热合金的导热率往往不高，整体封装也限制了储热合金热响应速率。
为了解决合金相变储热材料应用的封装问题、空间占用问题、热响应速率问题，针对实际使用工况，开发结构功能和储热功能一体化的设计和制备加工技术方案，具有重大的实践意义。
发明内容
为了填补当前的技术空白，解决受空间限制的高功率电子元器件的瞬时散热问题，本发明提供了一种铝基相变储热合金复合材料，该复合材料能够实现结构功能和储热功能一体化，适合封装空间有较高限制的散热场合，热响应速率快，对空间要求小。
本发明的另一目的在于提供一种所述铝基相变储热合金复合材料的制备方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种铝基相变储热合金复合材料，该材料由铝合金和相变储热合金复合构成，其中，铝合金作为连续的基体，承担结构材料和封装材料的功能，以及承担导热通道的功能；铋基合金呈不连续的颗粒状，承担储热的功能。
作为一种具体的实施方案，所述复合材料外层整体包覆有铝合金层，该铝合金层的厚度为1mm-10mm，以保证对铋基合金的密封。
作为一种具体的实施方案，所述铋基合金的等效粒径为10-100μm。铋基合金的颗粒度过大会造成铋基合金颗粒之间连续，降低复合材料的储热功能，铋基合金过小，工艺上难以实现。本发明中，所述铋基合金的等效粒径更优选为10-30μm。
作为一种具体的实施方案，所述铝基相变储热合金复合材料按照体积百分比计的组成：铝合金占比为40～70％，铋基相变储热合金占比为30～60％。
优选地，所述铝基相变储热合金复合材料按照体积百分比计的组成：铝合金占比为45～65％，铋基相变储热合金占比为35～55％。
优选地，所述铝基相变储热合金复合材料按照体积百分比计的组成：铝合金占比为50～60％，铋基相变储热合金占比为40～50％。
本发明中的铝合金为适合铸造的铝合金，如Y102、Y104、Y302等。铋基合金为Bi-In-Sn、Bi-Pb-Sn-Cd等低熔点合金，不能适用含镓(Ga)的铋基合金，因为镓对铝合金有腐蚀性。
一种所述铝基相变储热合金复合材料的制备方法，包括如下步骤：
(1)半固态压铸：按照配比准备铝合金和相变储热合金，在保护气氛中进行熔炼；控制温度，在铝合金形成半固态时，进行快冷压铸；
(2)表面浸润：将铸锭机械加工后，多次浸入铝合金熔体中，获得表面包覆铝合金层的铝基相变储热合金复合材料制品。
步骤(1)中，所述的熔炼过程为，先熔化铝合金并控制熔体温度在600～650℃；再加入铋基合金；不间断的同时使用电磁搅拌和机械振动；待混合物的温度降至565～625℃时，进行压铸；压铸模采用循环水冷却。
步骤(2)中，所述的表面浸润过程为：将机械加工为近最终应用形状的铝基相变储热合金复合材料，在其温度为室温的状态下，将其完全浸入到570～620℃的铝合金熔体中，并快速取出空冷，往复多次，直至复合材料表面完全被铝合金覆盖。
本发明的铝基相变储热合金复合材料在制备散热元件，特别是电子元器件的散热元件中的应用，兼具结构材料和储热材料的功能。通过铝合金和铋基合金的种类选择和配比控制可以实现复合材料强度、热容、导热率、密度等关键指标的设计。层球状非连续分布的相变合金被铝合金基体均匀包裹，不会在相变时发生泄漏，浸润获得的表面铝合金层进一步遏制了复合材料表层的相变合金的溢出。通过压铸模具的设计实现近终成形，便于短流程的规模化生产。
与现有的“相变储热合金+结构材料壳体”的整体封装方法相比，本发明的铝基相变储热合金复合材料实现了结构功能和储热功能一体化的设计，并且提供了具体的制备加工技术方案。本发明的铝基相变储热合金复合材料特别适合封装空间有较高限制的散热场合，热响应速率快，对空间要求小，利于装备的整体设计。
附图说明
图1为现有的“相变储热合金+结构材料壳体”的整体封装方式的示意图。
图2为表示本发明的一种铝基相变储热合金复合材料的构成的示意图。
图3为本发明实施例1所得铝基相变储热合金复合材料的微观组织照片(SEM)。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为现有的“相变储热合金+结构材料壳体”的整体封装方式的示意图，其中储热合金1被整体封装在壳体材料2内部，整体形成核-壳的结构。图2为本发明的一种铝基相变储热合金复合材料的构成的示意图。本发明的铝基相变储热合金复合材料，由铝合金3和相变储热合金4复合而成，铝合金3作为连续的基体，承担结构材料和封装材料的功能，以及承担导热通道的功能；相变储热合金4(例如，铋基合金)呈不连续的颗粒状，承担储热的功能。
为了进一步遏制复合材料表层的相变合金的溢出，可以在复合材料外层整体包覆铝合金层。
本发明的一种铝基相变储热合金复合材料的制备方法包括如下步骤：
(1)半固态压铸：按照配比准备铝合金和相变储热合金，在保护气氛中进行熔炼；熔化铝合金并控制熔体温度在600～650℃；再加入铋基合金；不间断的同时使用电磁搅拌和机械振动；待混合物的温度降至565～625℃时，形成铝合金的半固态，进行压铸；压铸模采用循环水冷却。
(2)表面浸润：将机械加工为近最终应用形状的铝基相变储热合金复合材料，在其温度为室温的状态下，将其完全浸入到570～620℃的铝合金熔体中，并快速取出空冷，往复多次，直至复合材料表面完全被铝合金覆盖，获得表面包覆铝合金层的铝基相变储热合金复合材料制品。
实施例1
本实施例的铝基相变储热合金复合材料由Y102(YZAlSi12)铝合金和铋基合金构成，其中铝合金体积占比65％，铋基合金体积占比35％。铋基合金重量比构成为：42.4Bi-40.2In-17.4Sn。采用氩气保护，将Y102铝合金熔化后，控制熔体温度为610±10℃；加入铋基合金，不间断的同时使用电磁搅拌和机械振动；降低加热功率，至熔体降温至580±5℃时，进行压铸成形。压铸模具内部通循环冷却水。把冷却后的铸锭机械加工为零件，将室温的零件完全浸入到580±5℃的Y102铝合金熔体中，并快速取出空冷，往复5次，至复合材料表面完全被铝合金覆盖。
如图3所示，本实施例所获得的铝基相变储热合金复合材料中铋合金呈颗粒状，等效粒径约为10μm，均匀的分布在铝合金的基体上。
获得的铝基相变储热合金复合材料的主要性能指标如下：抗拉强度为143MPa；体积潜热为118J/cm3；储热温度区间为60～90℃；导热率为116W/mK；密度为4.6g/cm3。
实施例2
本实施例的铝基相变储热合金复合材料由Y104(YZAlSi10Mg)铝合金和铋基合金构成，其中铝合金体积占比55％，铋基合金体积占比45％。铋基合金重量比构成为：50Bi-27Pb-13Sn-10Cd。采用氩气保护，将Y104铝合金熔化后，控制熔体温度为620±10℃；加入铋基合金，不间断的同时使用电磁搅拌和机械振动；降低加热功率，至熔体降温至580±5℃时，进行压铸成形。压铸模具内部通循环冷却水。把冷却后的铸锭机械加工为零件，将室温的零件完全浸入到580±5℃的Y104铝合金熔体中，并快速取出空冷，往复4次，至复合材料表面完全被铝合金覆盖。
获得的铝基相变储热合金复合材料的主要性能指标如下：抗拉强度为121MPa；体积潜热为180J/cm3；储热温度区间为70～90℃；导热率为90W/mK；密度为5.6g/cm3。
实施例3
本实施例的铝基相变储热合金复合材料由Y302(YZAlMg5Si1)铝合金和铋基合金构成，其中铝合金体积占比45％，铋基合金体积占比55％。铋基合金重量比构成为：42.4Bi-40.2In-17.4Sn。采用氩气保护，将Y302铝合金熔化后，控制熔体温度为630±10℃；加入铋基合金，不间断的同时使用电磁搅拌和机械振动；降低加热功率，至熔体降温至590±5℃时，进行压铸成形。压铸模具内部通循环冷却水。把冷却后的铸锭机械加工为零件，将室温的零件完全浸入到590±5℃的Y302铝合金熔体中，并快速取出空冷，往复3次，至复合材料表面完全被铝合金覆盖。
获得的铝基相变储热合金复合材料的主要性能指标如下：抗拉强度为92MPa；体积潜热为212J/cm3；储热温度区间为80～120℃；导热率为68W/mK；密度为5.9g/cm3。
对比例1
本实施例的铝基相变储热合金复合材料由Y102(YZAlSi12)铝合金和铋基合金构成，其中铝合金体积占比65％，铋基合金体积占比35％。铋基合金重量比构成为：42.4Bi-40.2In-17.4Sn。将Y102机械加工出型腔和盖板，再将液态的铋基合金导入型腔，待铋基合金冷却凝固后，再将盖板与型腔进行焊封，形成图1所示的封装结构。与实施例1相比，二者包含的铋基合金数量相同。
获得的铝基相变储热合金复合材料的主要性能指标如下：抗拉强度为115MPa；体积潜热为118J/cm3；储热温度区间为60～90℃；导热率为62W/mK；密度为4.6g/cm3。
可以看出，采用对比例1的封装方式获得的材料的导热率显著低于采用实施例1的封装方式获得的材料。也就是说，虽然二者的储热量相当(受储热材料的数量决定)，但是对热输入响应却有较大的差异，导热率更高的材料均温性能更好。
以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的相关技术人员应当理解：可以对本发明进行修改或者同等替换，但不脱离本发明精神和范围的任何修改和局部替换均应涵盖在本发明的权利要求范围内。

Claims (7)

1.一种铝基相变储热合金复合材料，其特征在于，该材料由铝合金和相变储热合金复合构成，其中，铝合金作为连续的基体，承担结构材料和封装材料的功能，以及承担导热通道的功能；所述相变储热合金为铋基合金，该铋基合金呈不连续的颗粒状，承担储热的功能；该材料的制备方法包括如下步骤：
（1）半固态压铸：按照配比准备铝合金和相变储热合金，在保护气氛中进行熔炼；控制温度，在铝合金形成半固态时，进行快冷压铸；
（2）表面浸润：将铸锭机械加工后，多次浸入铝合金熔体中，获得表面包覆铝合金层的铝基相变储热合金复合材料制品；
所述步骤（1）中，所述熔炼的过程为：先熔化铝合金并控制熔体温度在600~650℃；再加入铋基合金；不间断的同时使用电磁搅拌和机械振动；待混合物的温度降至565~625℃时，进行压铸；压铸模采用循环水冷却；
所述步骤（2）中，所述表面浸润的过程为：将机械加工为近最终应用形状的铝基相变储热合金复合材料，在其温度为室温的状态下，将其完全浸入到570~620℃的铝合金熔体中，并快速取出空冷，往复多次，直至复合材料表面完全被铝合金覆盖。
2.如权利要求1所述的铝基相变储热合金复合材料，其特征在于，所述复合材料外层整体包覆有铝合金层，该铝合金层的厚度为1mm-10mm。
3.如权利要求1或2所述的铝基相变储热合金复合材料，其特征在于，所述铋基合金的等效粒径为10-100µm。
4.如权利要求3所述的铝基相变储热合金复合材料，其特征在于，所述铋基合金的等效粒径为10-30µm。
5.如权利要求1或2所述的铝基相变储热合金复合材料，其特征在于，所述铝基相变储热合金复合材料按照体积百分比计的组成：铝合金占比为40~70%，铋基相变储热合金占比为30~60%。
6.如权利要求5所述的铝基相变储热合金复合材料，其特征在于，所述铝基相变储热合金复合材料按照体积百分比计的组成：铝合金占比为45~65%，铋基相变储热合金占比为35~55%。
7.如权利要求6所述的铝基相变储热合金复合材料，其特征在于，所述铝基相变储热合金复合材料按照体积百分比计的组成：铝合金占比为50~60%，铋基相变储热合金占比为40~50%。
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