阅读说明：本技术 一种高导热性防泄漏的导热材料及其制备方法和应用 (High-thermal-conductivity leakproof heat conduction material and preparation method and application thereof ) 是由 杨城 郑立聪 谢开旺 李正荣 盛磊 刘静 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明属于液态金属应用技术领域,具体涉及一种高导热性防泄漏的导热材料及其制备方法和应用。所述导热材料包括：基体和掺杂粉体；所述基体为液态金属；所述掺杂粉体至少包括碳化硅。在一定温度和压力下,所述导热材料具有优异的导热性能,同时在熔化时呈膏状,因而避免现有导热片受热后泄漏的问题。(The invention belongs to the technical field of liquid metal application, and particularly relates to a high-thermal-conductivity leakproof heat conduction material, and a preparation method and application thereof. The heat conductive material includes: a matrix and doped powder; the substrate is liquid metal; the doped powder at least comprises silicon carbide. Under a certain temperature and pressure, the heat conducting material has excellent heat conducting performance and is pasty when being melted, so that the problem that the conventional heat conducting sheet leaks after being heated is solved.)

一种高导热性防泄漏的导热材料及其制备方法和应用

技术领域

本发明属于液态金属应用技术领域，具体涉及一种高导热性防泄漏的导热材料及其制备方法和应用。

背景技术

导热片属于一种热界面材料，用于发热器件与散热器层间，填充发热器件与散热器的间隙，以此形成良好的导热通道，加快散热效率。

液态金属热界面材料是一类基于低熔点金属的高端导热界面材料，是近些年国际散热领域的一项突破性革新。液态金属热导率为10-60W/K*℃，是传统硅油基材料的5～10倍，性能优势明显，物化性质稳定、无毒无害、不易挥发、更适合高温、高热流场合的长期应用。

液态金属导热片是固体片状热界面产品，利用本身低熔点特性通过发热体发热使其熔化能保证充分地填充界面间隙形成良好的导热通道。液态金属导热片不仅具备优异的热传导能力，同时操作便捷、无需涂抹工序。

传统的液态金属导热片是固体片状纯金属产品，由纯的液态金属制成。但现有的低熔点液态金属种类不多，且价格偏高，特别是现有的液态金属的导热率在金属材料中并不算突出。

此外，尽管液态金属导热片的导热效率较高，但是由于液态金属流动性大，长期使用过程中容易出现泄漏或者渗入散热装置或者电子元器件的材料内部导致流淌失效的问题，严重阻碍了液态金属导热片的应用。针对液态金属导热片存在的上述缺陷，研究者们研发了许多不同的封装方法来克服，却不尽如人意。

发明内容

为了克服上述问题，本发明提出了一种高导热性防泄漏的导热材料。在一定温度和压力下，所述导热材料具有优异的导热性能，同时在熔化时呈膏状，因而避免现有导热片受热后泄漏的问题。

所述高导热性防泄漏的导热材料，包括：基体和掺杂粉体；所述基体为液态金属合金；所述掺杂粉体至少包括碳化硅。

本发明选择碳化硅作为掺杂粉体，当材料熔化时，碳化硅能够较好地填充液态金属界面间缝隙，从而使导热材料呈膏状，避免了现有液态金属导热片受热后泄露的问题，提高了其使用安全性。

所述液态金属合金与所述碳化硅的质量比为(2-10)：1；优选为(4-7)：1。

所述基体液态金属合金的熔点在60-200℃之间。

所述基体液态金属合金为铋铟合金、铋锡合金、铋锌合金、锡锌合金、铟锡合金、铋铟锌合金、铋铟锡合金、铋锡锌合金、铋铟锡锌合金中的一种或多种；优选铋铟锡合金。

为了进一步提高导热材料的性能，所述掺杂粉体还包括氧化铝粉和/或铜粉。

所述氧化铝粉的加入量不超过所述基体质量的15％。

所述铜粉的加入量不超过所述基体质量的20％。

所述碳化硅的颗粒尺寸在1nm-100μm之间，优选5μm。

所述氧化铝粉的颗粒尺寸在1nm-100μm之间，优选5μm。

所述铜粉的颗粒尺寸在1nm-100μm之间，优选5μm。

优选地，所述掺杂粉体的颗粒尺寸均为5μm级别。

作为本发明优选的实施方式之一，当同时加入氧化铝粉和铜粉时，所述导热材料包括质量百分比的掺杂粉体：碳化硅10-25％，氧化铝粉10-15％、铜粉1-20％；且所述掺杂粉体的颗粒尺寸均为5μm级别。

本发明所述的导热材料，其熔点在60-200℃内，其热导率在30-50W/m*k之间。

本发明还提供一种高导热性防泄漏的导热材料的制备方法，包括：将基体与掺杂粉体在真空条件下搅拌混匀即可。

为了获得更好的性能，所述碳化硅在所述搅拌前先进行钝化处理。所述钝化处理的方式选自烘烤和/或氢氟酸化干燥，优选先氢氟酸酸化干燥后烘烤。所述钝化处理的目的是减少碳化硅颗粒的尖锐棱角，尽可能减少传热过程中因碳化硅颗粒热运动破坏左右。

其中，所述烘烤温度为600-1200℃，优选1200℃；所述烘烤时间可依据实际情况而定，如10h。

本发明中，在所述真空搅拌的过程中，可以充入惰性保护气体。所述真空搅拌的过程中，体系的温度应始终保持略高于液态金属基体合金的熔点的5-10℃。如此能在保证液态金属基体为液态的情况下，尽可能的保证其粘度，更好的掺杂搅拌加入的粉体材料。

本发明中，当向液态金属中添加氧化铝粉和/或铜粉时，应待碳化硅被搅匀后再加入，从而体系更加均匀，更有利于提高导热材料的性能。

本发明还提供上述导热材料在高热流密度元器件散热、电子设备散热等方面中的应用。

本发明还提供一种导热片，采用包括上述导热材料的原料制得。所述导热片运用于多种高热流密度的电子元件与散热器之间，可有效解决其界面热障问题。

作为本发明的实施方式之一，所述导热片的制备方法如下：

1)制备基体液态金属：按照组分配方称取液态金属的原料单质，混合均匀后加入真空熔炼炉熔炼，进行真空冷却；

2)制备掺杂粉体：按照掺杂粉体的组分配方称取不同质量的粉体材料；对粉体进行一定程度的处理；

3)将步骤1)制备的基体液态金属与2)制备的粉体按照基体液态金属与掺杂粉体的质量比2-10:1称取、混合搅拌；

4)将步骤3)制备的液态金属混合物采用一定形状的模具进行浇注定型；

5)将步骤4)中冷却后的液态金属混合物进行冷轧，压制成一定厚度的薄材，并通过激光切割机进行裁剪，最后得所述的液态金属相变化导热片。

本发明还提供上述导热片的使用方法，其应在以下任一使用界面条件中实施：

(1)在使用界面温度≤100℃以下，压力≤60ps的情况下使用，能保证传热效果的同时液态金属不出现泄漏；

(2)在使用界面温度≤150℃以下，压力≤40psi的情况下使用，能保证传热效果的同时液态金属不出现泄漏；

(3)在使用界面温度≤200℃以下，压力≤20psi的情况下使用，能保证传热效果的同时液态金属不出现泄漏。

本发明具有以下优点：

本发明通过掺杂特定的掺杂物来提高液态金属的导热率，还可以降低液态金属的应用成本，拓宽液态金属作为冷却工质的应用范围。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例以用于风扇式LED车灯的散热运用为例，提供用于其中的导热材料及其制得的导热片的方法，包括：

1)、液态金属基体合金的组成及组分质量百分比按照：铋32.5％、铟51％，锡16.5％进行配比；此合金的熔点为60℃。

2)、称取上述金属单质，通过真空熔炼炉在惰性气体保护下进行熔炼，熔炼后进行真空冷却。

3)、液态金属与掺杂粉体占比为：68.77％、32.11％。

掺杂粉体部分的组成及组分质量百分比按照：碳化硅15.74％、氧化铝粉9.45％、铜粉6.92％进行配比。

其中三种粉体的颗粒尺寸均为5μm级别的。

碳化硅采用1200℃高温烘烤10h进行钝化处理，其他粉体做分散改性处理。

4)、将称取的液态金属基体合金进行初步熔化后作为基体溶剂，然后将碳化硅加入基体中进行真空搅拌，待其搅拌均匀后，再依次分别加入氧化铝粉、铜粉混合均匀。

整个过程中保持温度在65-70℃，搅拌转速3000r/min。

然后再进行微氧氧化处理，提高基体液态粘度，保持温度在65-70℃，搅拌转速为1000r/min。

即得具有较高导热性且熔化后为膏状的导热材料。

5)、将混合均匀的液态金属混合物进行浇注成样后，采用压片机进行压制。

压制厚度为0.1mm，压制达到厚度后，通过激光切割机或模切机进行切割，切割成45mm*45mm尺寸。最终得到的金属片就是本发明中的液态金属相变化导热片。

本实施例步骤4)所得导热材料的熔点为75℃，热导率为44.2W/m·K，热阻抗为＜0.01(cm²·K/W)(80℃@40psi)。

本实施例步骤5)所得导热片运用于风扇式LED车灯的灯珠部分的散热时，灯珠散热后温度比采用常规导热硅脂等非金属热界面材料散热后的灯珠温度下降7℃，效果十分显著；

同时，将其在车灯、显卡、服务器中应用时，也无泄漏情况。

实施例2

本实施例以用于GPU芯片的散热运用为例，提供用于其中的导热材料及其制得的导热片的方法，包括：

1)、液态金属基体合金的组成及组分质量百分比按照：铋31.6％、铟48.8％，锡19.6％进行配比；此合金的熔点为60℃。

2)、称取上述金属单质，通过真空熔炼炉在惰性气体保护下进行熔炼，熔炼后进行真空冷却。

3)、液态金属与掺杂粉体占比为：69.5％、30.5％。

掺杂粉体部分的组成及组分质量百分比按照：碳化硅16％、氧化铝粉10.5％、铜粉4％进行配比。

其中三种粉体的颗粒尺寸均为5μm级别的。

碳化硅采用1200℃高温烘烤10h进行钝化处理，其他粉体做分散改性处理。

4)、将称取的液态金属基体合金进行初步熔化后作为基体溶剂，然后将碳化硅加入基体中进行真空搅拌，待其搅拌均匀后，再依次分别加入氧化铝粉、铜粉混合均匀。

整个过程中保持温度在65-70℃，搅拌转速3000r/min。

然后再进行微氧氧化处理，提高基体液态粘度，保持温度在65-70℃，搅拌转速为1000r/min。

即得具有较高导热性且熔化后为膏状的导热材料。

5)、将混合均匀的液态金属混合物进行浇注成样后，采用压片机进行压制。

压制厚度为0.08mm，压制达到厚度后，通过激光切割机或模切机进行切割，切割成25mm*25mm尺寸。最终得到的金属片就是本发明中的液态金属相变化导热片。

本实施例步骤4)所得导热材料的熔点为68℃，热导率为34W/m·K，热阻抗为＜0.01(cm²·K/W)(80℃@40psi)。

本实施例步骤5)所得导热片运用于GPU芯片散热，拷机温度比采用常规导热硅脂等非金属热界面材料散热后的GPU温度下降3-5℃，效果十分显著；

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。