一种基于室温液态金属的散热流体

本发明属于液态金属散热材料领域，具体涉及一种基于室温液态金属的散热流体。

背景技术：

1、近些年来，绝缘栅双极型晶体管(igbt)年产量以及需求量在持续增长，预计在2024年我国igbt行业产量将达到0.78亿只，需求量约为1.95亿只。作为能源变换与传输的大功率半导体器件，igbt芯片具备驱动功率小、饱和压降低、开关频率高等优点，其在工作时，会产生大量的热量，使芯片核心区域温度升高，显著降低igbt的性能。此外，过热也会对芯片造成不可逆损伤，严重影响芯片寿命。

2、传统的igbt冷却方式分为强制空气冷却、循环水冷却、热管散热器冷却。在igbt的冷却中，通常使用循环水冷却，循环冷却水传热效率低，长时间用作冷却液存在运行的可靠性问题，另外冷却水的热容虽然很高，但其传导热效率很低，散热效果有待提高。镓基液态金属是一种能够在室温以液体状态存在的物质，具备熔点低、流动性强、热导率高、热稳定性强的特点。另外，其在室温至200℃均具备流动性，热导率是水的100倍以上，在工作范围内具备良好的热稳定性。液态金属的热容非常的小，使得其散热性能受到限制，而在与功能氧化物颗粒、碳纳米管等高热容填充材料复合后，其热容得到提高。然而，在使用过程中，也出现了不少问题，如液态金属自身较大的表面张力而与填充材料的界面浸润性差，导致氧化物颗粒、碳纳米管等在其中的掺杂量较少，长期放置后产生分层现象，既不稳定也影响其散热效率。因此，开发一种高效率且稳定的液态金属基散热流体材料，保证热导率的同时提高其热容，对实现提高igbt制冷功率具有重要的现实意义。

3、cn115446308a公开了一种铜包覆液态金属粉末，是以液态金属和硫酸铜溶液进行置换反应得到，但是随着时间的推移，铜包覆的液态金属会不断产生金属间化合物，导致复合材料固化导电性降低。

4、cn115547607a公开了一种磁性镓基液态金属复合材料，是表面修饰的磁性金属氧化物颗粒和镓基液态金属的混合物，所述表面修饰的磁性金属氧化物颗粒的内核为磁性金属氧化物颗粒，所述磁性金属氧化物颗粒的表面包覆纳米级厚度的聚多巴胺层，所述聚多巴胺层的表面包覆银壳，此类制备的磁性复合材料方法较为复杂。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提出了一种基于室温液态金属的高散热流体材料，具备热导性高、热容好、稳定性好、长期放置不分层的特点，所述液态金属高散热流体材料为掺杂着功能氧化物、碳纳米管等高热容填充材料的室温液态金属，并以银颗粒做连接介质，通过静电吸附、还原反应以及合金化作用分别连结着高热容填料以及液态金属，促进高热容填充材料在液态金属中的融合性。

2、为实现上述目的，采用以下具体技术方案：

3、一种基于室温液态金属的散热流体，包括以下质量份的原料：100份镓基液态金属、0.4-1份银颗粒包覆的热容增强剂。

4、所述银颗粒包覆的热容增强剂中，银颗粒的尺寸为5-20nm。

5、镓基液态金属的熔点为10-30℃；所述镓基液态金属为镓和其他金属的合金，所述其他金属选自铟、锡、锌、铋、铅、镁、铝、铁、锰、钛、钒中的至少一种。

6、优选地，镓基液态金属中，镓占为70-90wt％。

7、进一步地，所述银颗粒包覆的热容增强剂包括如下重量份的原料：50份热容增强剂，1100-3000份银颗粒前驱体，所述银颗粒前驱体为硝酸银、柠檬酸、氢氧化钠和单宁酸的混合物。更进一步地，硝酸银、柠檬酸、氢氧化钠和份单宁酸的质量比为1：10-15：6-10：2-3。

8、所述热容增强剂为聚合物微球、功能氧化物微球、碳纳米管、石墨烯中的至少一种，其中聚合物颗粒，功能氧化物微球直径在100nm-1μm；所述碳纳米管直径50-100nm，长度0.5-2μm；石墨烯的尺寸为50-200nm，厚度0.5-5nm。

9、进一步地，所述聚合物选自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物中的至少一种；所述功能氧化物选自二氧化硅、二氧化钛、二氧化钼、氧化镁、氧化铝中的至少一种。

10、优选地，所述热容增强剂为聚合物微球、功能氧化物微球中的至少一种和碳纳米管、石墨烯中的至少一种按照质量比49-99：1的复配。聚合物微球、功能氧化物微球的尺寸为微米级，碳纳米管直径、石墨烯厚度为纳米级。将这两种不同尺寸的热容增强剂按照一定比例复配，即只需加入少量的纳米级的碳纳米管和/或石墨烯，本发明的室温液态金属的散热流体的热容得到了极大提高，主要原因是碳纳米管、石墨烯的热容很高，添加后提高了复合散热流体的热容。

11、硝酸银在溶液中的银离子会吸附在热容增强剂表面，通过还原剂(柠檬酸、氢氧化钠、单宁酸)还原成银颗粒从而对热容增强剂表面进行包覆，另一方面，镓基液态金属与银颗粒可以在室温形成流动的液体，通过银和液态金属的合金化作用，镓基液态金属可对表面包覆着银颗粒的热容增强剂进行很好的融合，形成稳定的高导热、高热容的液态金属散热流体。

12、所述包覆银颗粒的热容增强剂通过包括如下步骤的方法制备：

13、将单宁酸与去离子水超声条件下混合形成均匀的混合液，作为溶液a；将柠檬酸和氢氧化钠以及去离子水混合，并加入溶液a，而后形成溶液b；将硝酸银和热容增强剂混合，加入去离子水超声条件下形成分散液c，安装冷凝回流装置并加热保持沸腾；而后将溶液b滴入分散液c中，反应结束后冷却至室温，洗涤、离心、干燥得到包覆着银颗粒的热容增强剂。

14、上述包覆银颗粒的热容增强剂制备方法中，超声条件是在500-700w频率下超声分散10-30min；形成溶液b、分散液c混合时间没有特别限定，能够充分混合均匀即可，比如1-2h；所述离心转速10000-20000rpm，洗涤次数为1-5次。

15、本发明提供了上述基于室温液态金属的散热流体的制备方法，包括如下步骤：

16、将包覆着银颗粒的热容增强剂加入液态金属，保护性气氛下搅拌，得到基于室温液态金属的散热流体。

17、所述搅拌时间为0.5-2h，所述搅拌频率为300-800rpm，所述搅拌温度为20-50℃。

18、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

19、本发明中的热容增强剂为高热容的功能氧化物颗粒、碳纳米管、石墨烯、聚合物颗粒等，通过银离子在热容增强剂的表面吸附和原位还原，在热容增强剂表面形成纳米银颗粒的包覆，所得银颗粒包覆的热容增强剂对高热导的液态金属进行掺杂，最终得到兼具高热导、高热容的液态金属散热流体。银颗粒一方面可以增加热容增强剂在液态金属中的浸润性并促进热容增强剂在液态金属中的相容性，另一方面银颗粒与液态金属可形成低熔点合金，使得其室温下即可流动；银颗粒与热容增强剂的还原反应、静电吸附作用以及银颗粒和液态金属的合金化作用使得导热容增强剂可以稳定的存在于液态金属中，即使长时间放置也不易分层。

技术特征：

1.一种基于室温液态金属的散热流体，其特征在于，包括以下质量份的原料：100份镓基液态金属、0.4-1份银颗粒包覆的热容增强剂。

2.根据权利要求1所述的基于室温液态金属的散热流体，其特征在于，所述银颗粒包覆的热容增强剂中，银颗粒的尺寸为5-20nm。

3.根据权利要求1所述的基于室温液态金属的散热流体，其特征在于，镓基液态金属的熔点为10-30℃；所述镓基液态金属为镓和其他金属的合金，所述其他金属选自铟、锡、锌、铋、铅、镁、铝、铁、锰、钛、钒中的至少一种。

4.根据权利要求3所述的基于室温液态金属的散热流体，其特征在于，镓基液态金属中，镓占为70-90wt％。

5.根据权利要求3所述的基于室温液态金属的散热流体，其特征在于，所述银颗粒包覆的热容增强剂包括如下重量份的原料：50份热容增强剂，1100-3000份银颗粒前驱体，所述银颗粒前驱体为硝酸银、柠檬酸、氢氧化钠和单宁酸的混合物；进一步地，硝酸银、柠檬酸、氢氧化钠和份单宁酸的质量比为1：10-15：6-10：2-3。

6.根据权利要求1所述的基于室温液态金属的散热流体，其特征在于，所述热容增强剂为聚合物微球、功能氧化物微球、碳纳米管、石墨烯中的至少一种，其中聚合物颗粒，功能氧化物微球直径在100nm-1μm；所述碳纳米管直径50-100nm，长度0.5-2μm；石墨烯的尺寸为50-200nm，厚度0.5-5nm。

7.根据权利要求6所述的基于室温液态金属的散热流体，其特征在于，所述聚合物选自聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物中的至少一种；所述功能氧化物选自二氧化硅、二氧化钛、二氧化钼、氧化镁、氧化铝中的至少一种。

8.根据权利要求1所述的基于室温液态金属的散热流体，其特征在于，所述热容增强剂为聚合物微球、功能氧化物微球中的至少一种和碳纳米管、石墨烯中的至少一种按照质量比49-99：1的复配。

9.根据权利要求5所述的基于室温液态金属的散热流体，其特征在于，所述包覆银颗粒的热容增强剂通过包括如下步骤的方法制备：

10.权利要求1-9任一项基于室温液态金属的散热流体的制备方法，包括如下步骤：

技术总结
本发明涉及一种基于室温液态金属的散热流体，包括以下质量份的原料：100份镓基液态金属、0.4‑1份银颗粒包覆的热容增强剂。本发明在热容增强剂表面形成纳米银颗粒的包覆，所得银颗粒包覆的热容增强剂对高热导的液态金属进行掺杂，最终得到兼具高热导、高热容的液态金属散热流体。银颗粒一方面可以增加热容增强剂在液态金属中的浸润性并促进热容增强剂在液态金属中的相容性，另一方面银颗粒与液态金属可形成低熔点合金，使得其室温下即可流动；银颗粒与热容增强剂的还原反应、静电吸附作用以及银颗粒和液态金属的合金化作用使得导热容增强剂可以稳定的存在于液态金属中，具有很好的稳定性。

技术研发人员：杜轶,郝维昌,刘娜娜,刘思全
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15