CN114539723B - 具有各向异性的高性能热界面材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有各向异性的高性能热界面材料及其制备方法，属于散热材料领域。该高性能热界面材料包括网状骨架、磁性液态金属和磁性颗粒；其中，网状骨架通过柔性材料制成，作为基体；磁性液态金属具有低熔点，并均匀分布在网状骨架内，用于传导热量；磁性颗粒为微纳米磁性颗粒，均匀分布在网状骨架内。本发明通过控制特定方向磁场的有或无，可使网状骨架内的磁性颗粒和磁性液态金属朝磁场方向排列，由此可实现各向异性的热界面材料，同时双磁性组分的设计也有效地提高了材料整体的热导率。本发明解决了现有技术中热界面材料热导率不足，难以实现灵活的各向异性等问题，具有可观的应用价值。

Description

具有各向异性的高性能热界面材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及热界面材料领域，尤其涉及一种高性能热界面材料及其制备方法与应用。

背景技术

浩瀚的宇宙由数条最根本的定律支配，热力学第二定律便是其中之一，其告诉了我们熵增的必然性，也就是说封闭系统内的各种能量，最终需要以热能的形式排出。回归到生活中，这个定律表明机器系统中的产热是不可避免的，而随着电子设备向小型化和高度集成化的方向发展，电子设备的发热量逐渐增加。如果散热不畅，由此导致的热故障将极大影响电子设备的性能和寿命。因此，有效可靠的热量管理成为解决这一难题的关键。我们知道，热的传输有三种方式，分别为热传导，热对流和热辐射。基于这三种基本方式，经过数十年的发展，研究人员已经探索出多种方法来散发设备的热量。这些散热策略通常包括对流散热，热管散热，相变散热，辐射散热等。其中，由于存在接触热阻，通过合适的热界面材料来对热量进行输送，在提高散热效率方面起着至关重要的作用。

近年来，液态金属热界面材料由于其出色的性能，尤其是其高导热性而受到广泛关注。这里所说的液态金属主要指的是室温时呈现流体的镓基液态金属。然而，通常情况下，人们普遍关注得更多的是固态金属的强度、硬度及韧性，而对其流体状态及性质乃至应用则颇多忽视，一个核心原因在于常规金属如铜、铁等的熔点动辄上千摄氏度，对于需如此高温才可能变成液体的金属，液态只是其制备与成型过程中的中间态，是很难被加以利用的。近年来的大量突破性工作表明，金属若能在常温下予以液态化，其本身就蕴藏着巨大价值，比如广泛见诸体温计、血压计等领域的水银（Hg）就是其中的典型代表，然而颇为遗憾的是这类材料的高毒性往往让人望而却步，也因此在很大程度上削弱了业界对液态金属的兴趣。由于这样的思维惯性，人们在相当长时间内未能充分意识到在水银之外还存在着大量比汞更为安全、应用空间更为广阔的常温液态金属，如镓或其合金等，因此相应研究和实践在全球范围一度处于沉寂。本世纪以来，首次将低熔点金属引入到消费电子冷却行业，以应对日益严峻的“热障”难题以来，液态金属物质科学的勃勃生机和活力得以被大大激发出来，催生了无数极富想象力的变革性应用，为许多新兴科技与产业打开了前所未有的空间，液态金属热界面材料也迎来了最佳的发展时机，获得了快速的发展。

显然，固体界面之间的热传递对于电子设备非常重要。然而，固-固界面由于表面粗糙度阻止了表面之间的完美接触，通常显示出较高的热阻，特别是高的接触热阻。在这种情况下，液态金属被用作热界面材料，显示出独特的优势。首先，液态金属具有比水高数十倍的导热率，这对于热量的散失极为有利。除此之外，液态金属优异的流动性也至关重要，这意味着液态金属基热界面材料可以填充相邻组件之间的所有间隙，从而使接触热阻最小。然而，作为一种金属，液态金属基热界面材料使用过程中的安全问题不可忽视，如何避免其对金属器件的腐蚀以及如何更进一步地提高其导热率成为研究的重点。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，本发明提供一种具有各向异性的高性能热界面材料及其制备方法，以柔性材料作为基体，磁性液态金属为填料，同时引入微纳米磁性颗粒作为导热增强颗粒；以解决现有液态金属热界面材料热导率难以提升，容易泄露，腐蚀器件等问题，且可实现热导率的各向异性。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供的具有各向异性的高性能热界面材料，包括网状骨架、磁性液态金属和磁性颗粒；其中，网状骨架通过柔性材料制成；磁性液态金属与磁性颗粒分别均匀分布在网状骨架内，磁性液态金属包括相混合的液态金属和磁颗粒，磁颗粒与磁性颗粒均为微纳级颗粒。

优选地，网状骨架、磁性液态金属和磁性颗粒的体积比为1:（0.3-1）:（0.3-1）。

优选地，液态金属与磁颗粒的质量比为1:（0.2-0.8）。

优选地，柔性材料为聚二甲基硅氧烷、水凝胶、嵌段聚合物和共聚酯中的任意一种或至少两种以上的组合。

优选地，磁性液态金属在常温下为流体且在磁场的作用下定向运动。

优选地，液态金属为镓基液态金属或镓基合金液态金属。

优选地，镓基合金液态金属为GaIn_21.4、Ga₆₈In₂₁Sn₁₁或GaIn₁₀。

优选地，磁性颗粒的粒径保持均匀，且粒径≤10微米。

本发明提供的具有各向异性的高性能热界面材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1、将磁颗粒掺杂进入液态金属形成磁性液态金属；

步骤S2、将磁性液态金属与磁性颗粒均匀分散到柔性材料溶液中；

步骤S3、固化步骤S2得到的混合体系，得到具有各向异性的高性能热界面材料。

优选地，步骤S3中，在固化步骤S2得到的混合体系之前，对混合体系进行磁场处理。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种热界面材料，通过磁场对磁性液态金属的调控不仅可以有效提高热界面材料的热导率，同时磁场的方向性也赋予了热界面材料独特的各向异性，将有助于该材料在多个场合发挥独特的作用；考虑到分散到网状结构中的磁性颗粒将像“锚”一样连接磁性液态金属，因此磁性颗粒的掺杂将有效提高整个体系的热导率，解决了现有热界面材料中热导率低的瓶颈问题，相比于市面上常见的硅脂类热界面材料，本发明实现的新材料可将有效热导率提高十倍以上，并且具有优异的可压缩性，从而最大可能减少接触热阻。

另一方面，本发明的热界面材料制备方便，批量生产经济性较好，柔性可拉伸，具有可观的应用价值。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为根据本发明实施例1提供的具有各向异性的高性能热界面材料的结构示意图；

图2为根据本发明实施例1提供的不同掺杂磁性颗粒情况下的热导率对比示意图；

图3为根据本发明实施例4提供的热界面材料与多种商用热界面材料的对比示意图；

图4为根据本发明实施例5提供的具有各向异性的高性能热界面材料在磁场作用下的示意图；

图5为根据本发明实施例5提供的两个磁场方向影响热导率的对比示意图。

其中的附图标记包括：1-磁性液态金属、2-磁性颗粒、3-网状骨架、4-磁场线。

具体实施方式

以下通过特定的具体实施例说明本发明的具体实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的优点及功效。本发明也可以其它不同的方式予以实施，即，在不背离本发明所揭示的范畴下，能予不同的修饰与改变。

本实施例中，磁性颗粒和磁颗粒只是为了便于区分且容易表述而定义的名称，就如同用“第一”和“第二”区别表述两相同部件，二者可以为相同磁性材料制成，也可以由不同磁性材料制成，本实施例中，是将掺入液态金属中的磁性材料定义为磁颗粒，且将后来又加入磁性液态金属中的磁性材料定义为磁性颗粒。

实施例1：

如图1所示，为本实施例提供的具有各向异性的高性能热界面材料，包括磁性液态金属1、磁性颗粒2和网状骨架3。其中，网状骨架3通过柔性材料制成，将磁性液态金属1液滴隔开，磁性液态金属1由GaIn_21.4和四氧化三铁颗粒组成，柔性材料为共聚酯（Ecoflex），磁性颗粒2为铁颗粒，粒径为1微米。

本实施例中，GaIn_21.4也即共晶镓铟合金的质量为500克，约80毫升，四氧化三铁颗粒的质量为100克，粒径为1微米，Ecoflex的体系为30毫升，铁颗粒体积为30立方厘米。

具体制备过程如下：

首先，将液态金属和四氧化三铁颗粒混合在一起，通过机械搅拌器以300转/分钟的频率搅拌10分钟，可见四氧化三铁颗粒完全进入液态金属中形成磁性液态金属；

然后，将上步得到的磁性液态金属和铁颗粒放入Ecoflex溶液中，同时将超声探头放入混合体系中超声15分钟，可见磁性液态金属和铁颗粒被较为均匀地分散到Ecoflex溶液中；

最后，取出混合体系利用加热台，加热到80摄氏度，等待12分钟，整体便可固化，从而得到高性能的热界面材料。

磁性液态金属在常温下为流体且在磁场作用下能够定向运动。

本实施例1中，热界面材料的热导率在不同方向上有着显著差异并能够由磁场进行灵活调控。

液态金属本身的热导率（>20 W/m﹒k）通常比聚合物的热导率（<1 W/m﹒k）大数倍，因此液态金属掺杂的聚合物基热界面材料的热导率相比于基底，可轻松提高数倍。而在本复合体系中，磁性颗粒可以起到“锚”的作用，充当磁性液态金属组成的液桥的两个端点，将分散在网状骨架中的液态金属液滴连接起来，组成导热网，从而提高热导率。颇具创新的，本实施例中实现的热界面材料中，在两个组分中施加了磁性，分别为磁性液态金属和磁性颗粒，这有效地保证了导热网络的形成。实验结果也证实，相比于单磁性组分，双磁性组分的设计可将热导率提高80%以上。如图2所示，相比于单纯的Ecoflex聚合物，掺杂了磁性颗粒和磁性液态金属的聚合物的热导率大大提高（可达几十倍），而双磁性组分设计则又可进一步提高复合材料的热导率。

实施例2：

本实施例2与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例与实施例1不同之处：

本实施例2提供的具有各向异性的热界面材料，其中，磁性液态金属通过Ga₆₈In₂₁Sn₁₁和四氧化三铁颗粒混合而成，柔性材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；磁性颗粒2为铁颗粒，粒径为2微米。

本实施例中，Ga₆₈In₂₁Sn₁₁的质量为500克，约80毫升，四氧化三铁颗粒的质量为100g，粒径为3微米；聚二甲基硅氧烷(PDMS)的体系为30毫升，铁颗粒体积为30立方厘米。

具体制备过程如下：

首先，将液态金属和四氧化三铁颗粒混合在一起，通过机械搅拌器以280转/分钟的频率搅拌12分钟，可见表面四氧化三铁颗粒完全进入液态金属，得到磁性液态金属；

然后，将上步得到的磁性液态金属和铁颗粒放入聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液中，同时将超声探头放入混合体系中超声13分钟，可见磁性液态金属和铁颗粒被较为均匀地分散到PDMS溶液中；

最后，取出混合体系利用加热台，加热到82摄氏度，等待13分钟，整体便可固化，从而得到高性能的热界面材料。

实施例3：

本实施例3提供的具有各向异性的高性能热界面材料，磁性液态金属通过GaIn₁₀和钕铁硼颗粒混合而成，聚合物为水凝胶，磁性颗粒2为铁颗粒，粒径为0.5微米。

本实施例3中，GaIn₁₀的质量为500克，约80毫升，钕铁硼颗粒的质量为100g，粒径为0.5微米，水凝胶的体系为30毫升，铁颗粒体积为30立方厘米。

具体制备过程如下：

首先，将液态金属和钕铁硼颗粒混合在一起，通过机械搅拌器以290转/分钟的频率搅拌11分钟，可见表面钕铁硼颗粒完全进入液态金属，得到磁性液态金属；

然后，将上步得到的磁性液态金属和铁颗粒放入水凝胶溶液中，同时将超声探头放入混合体系中超声16分钟，可见磁性液态金属和铁颗粒被较为均匀地分散到水凝胶溶液中；

最后，取出混合体系利用加热台，加热到78摄氏度，等待15分钟，整体便可固化，从而得到高性能的热界面材料。

实施例4：

本实施例4提供的具有各向异性的高性能热界面材料，磁性液态金属通过纯镓和四氧化三铁颗粒组成，柔性材料为嵌段聚合物（SEBS），磁性颗粒2为镀银的钕铁硼颗粒，粒径为10微米。

本实施例4中，纯镓的质量为500克，约80毫升，四氧化三铁颗粒的质量为100克，粒径为0.8微米，嵌段聚合物（SEBS）的体系为30毫升，镀银的钕铁硼颗粒体积为30立方厘米。

具体制备过程如下：

首先，将液态金属和四氧化三铁颗粒混合在一起，通过机械搅拌器以310转/分钟的频率搅拌9分钟，可见表面四氧化三铁颗粒完全进入液态金属，得到磁性液态金属；

然后，将上步骤得到的磁性液态金属和镀银的钕铁硼颗粒放入嵌段聚合物（SEBS）溶液中，同时将超声探头放入混合体系中超声10分钟，可见磁性液态金属和镀银的钕铁硼颗粒被较为均匀地分散到SEBS溶液中；

最后，取出混合体系利用加热台，加热到85摄氏度，等待10分钟，整体便可固化，从而得到高性能的热界面材料。

当然，本发明其它实施例提供的热界面材料，可以通过改变各组分的质量比和体积比，以及颗粒粒径的大小，来灵活地调控获得材料的热导率。本实施例4提供的热界面材料通过磁性颗粒的添加，有效地提高了热界面材料的热导率，相比市售的传统的硅脂类热界面材料，其热界面材料可轻松提高十倍以上（如图3所示）；同时，基于聚合物封装，解决了现有技术中易泄露，腐蚀器件的问题。

实施例5：

本实施例5与实施例1基本相同，为了描述的简要，在本实施例5的描述过程中，不再描述与实施例1相同的技术特征，仅说明本实施例5与实施例1不同之处：

在本实施例5中，磁场对材料的影响因素被考虑，以此形成该热界面材料的各相异性。相比于实施例1，本实施例5中在固化混合体系之前，整个混合体系被置于方向磁场中，增加了磁场线4，如图4所示。因为磁性颗粒和磁性液态金属对方向磁场的响应，其将沿着磁场的方向排列，由此在磁感性方向上形成连续的导热通路，从而使得该方向上的热导率增强。这种热导率定向的增强可使本热界面材料具有优异的各向异性。在进行充分磁场处理后，对整个体系进行固化处理便可得热导率在不同方向上有着显著差异的高性能热界面材料。

为了使热界面材料具有显著的各向异性，磁场的处理时间是个重要的因素，其和磁性颗粒的多少以及磁场的强度相关。本实施例5中，所用磁铁为0.6T，处理时间为15分钟，可使沿着磁场方向的热导率比垂直磁场方向上的热导率大约60%。如图5所示，沿磁场方向的热导率显著高于垂直磁场方向的热导率。

从上述实施例看出，本发明通过控制特定方向磁场的有或无，可使网状骨架内的磁性颗粒和磁性液态金属朝磁场方向排列，由此可实现各向异性的热界面材料，同时双磁性组分的设计也有效地提高了材料整体的热导率。本发明解决了现有技术中热界面材料热导率不足，难以实现灵活的各向异性等问题，具有可观的应用价值。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种具有各向异性的高性能热界面材料，其特征在于，包括网状骨架、磁性液态金属和磁性颗粒；其中，所述网状骨架通过柔性材料制成；所述磁性液态金属与所述磁性颗粒分别均匀分布在所述网状骨架内，所述磁性液态金属包括相混合的液态金属和磁颗粒，所述磁颗粒与所述磁性颗粒均为微纳级颗粒；

所述网状骨架、所述磁性液态金属和所述磁性颗粒的体积比为1:（0.3-1）:（0.3-1）；

所述柔性材料为聚二甲基硅氧烷、水凝胶、SEBS和Ecoflex中的任意一种或至少两种以上的组合。

2.根据权利要求1所述的具有各向异性的高性能热界面材料，其特征在于，所述液态金属与所述磁颗粒的质量比为1:（0.2-0.8）。

3.根据权利要求1所述的具有各向异性的高性能热界面材料，其特征在于，所述磁性液态金属在常温下为流体且在磁场的作用下定向运动。

4.根据权利要求1所述的具有各向异性的高性能热界面材料，其特征在于，所述液态金属为镓基液态金属或镓基合金液态金属。

5.根据权利要求4所述的具有各向异性的高性能热界面材料，其特征在于，所述镓基合金液态金属为GaIn_21.4、Ga₆₈In₂₁Sn₁₁或GaIn₁₀。

6.根据权利要求1所述的具有各向异性的高性能热界面材料，其特征在于，所述磁性颗粒的粒径保持均匀，且粒径≤10微米。

7.一种权利要求1-6任一项所述的具有各向异性的高性能热界面材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、将磁颗粒掺杂进入液态金属形成磁性液态金属；

步骤S2、将所述磁性液态金属与磁性颗粒均匀分散到柔性材料溶液中；

步骤S3、固化步骤S2得到的混合体系，得到具有各向异性的高性能热界面材料。

8.根据权利要求7所述的具有各向异性的高性能热界面材料的制备方法，其特征在于，步骤S3中，在固化步骤S2得到的混合体系之前，对所述混合体系进行磁场处理。

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