一种即时固化的液态金属复合热界面材料及制备方法与流程

1.本发明属于电子设备散热技术领域，尤其涉及一种在液体环境中工作的散热设备适用的即时固化液态金属复合热界面材料及其制备方法。


背景技术：

2.超大型数据中心在工作过程中会产生大量的热量，浸没式液冷通过将电子设备及元器件浸泡在绝缘性液体环境中来进行散热，绝缘冷却液的导热率是空气6倍，电子元件产生的热量直接高效地传递到流动的液体中，能够帮助改进其散热设计并有效传递热量，从而减少了对散热器和风扇等主动冷却组件的需求。浸没式液冷设备中发热元件与散热元件无法采用传统的导热硅脂和导热垫片，是由于液体环境冲刷下导热硅脂可能发生破碎并脱落，会对液体环境造成污染，同时普通的导热垫片热导率较低，无法高效地散发热量。目前，浸没式液冷设备中发热元件与散热元件之间的热界面材料大多采用固体金属薄片，一方面由于金属的热导率较高，另一方面是由于固体材料在液体环境的冲刷下不会分离或脱落，防止对液体环境造成污染。然而选用固体金属薄片作为热界面材料会导致与发热及散热器件之间的接触热阻较大，尽管材料本身的热导率较高，仍不能有效帮助散发热量。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种即时固化的液态金属复合热界面材料及其制备方法，该即时固化的液态金属热界面材料热导率较高，同时能够与发热、散热元器件紧密粘合在一起，大大降低了接触热阻，能够有效提升整个系统的散热效率，并且在液体环境的冲刷下也不发生分离或脱落，能够保证系统的稳定运行。
4.为了实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种即时固化的液态金属复合热界面材料，原料包括：液态金属、偶联剂、增韧剂、环氧树脂和固化剂；所述液态金属为镓基n元合金或铋基n元合金，n为大于等于2的整数；所述偶联剂选自kh
‑
550、kh
‑
560、kh
‑
570、kh
‑
792、kh
‑
580、kh
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590、dl
‑
602、dl
‑
171、span
‑
80、span
‑
85、1
‑
十二硫醇或巯基
‑
十一胺盐酸盐中的一种或几种；所述增韧剂选自聚酰胺、聚乙烯醇缩醛、玻璃纤维、石棉纤维、邻苯二甲酸二丁酯或邻苯二甲酸二辛酯中的一种或几种。
5.所述环氧树脂选自双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂、双酚s型环氧树脂中的一种或几种；所述固化剂选自乙二胺、三乙胺、三乙醇胺、二乙烯三胺中的一种或几种。
6.进一步地，所述镓基n元合金选自镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金或镓铟锡锌银中的一种或几种。
7.进一步地，所述铋基n元合金选自铋铟合金、铋铟锡合金、铋铟锡锌合金或铋铟锡锌银合金中的一种或几种。
8.进一步地，所述液态金属的熔点小于100℃，热导率大于15w/m
•
k。
9.进一步地，所述热界面材料，原料以质量分数计包括：液态金属85%
‑
97%，环氧树脂和固化剂之和为3%
‑
15%，三者的质量分数之和为100%，固化剂和环氧树脂的质量比为0.1
‑
1:1；偶联剂的用量为液态金属质量的0.1%
‑
5%，增韧剂的用量为液态金属质量的0.1%
‑
10%。
10.进一步地，所述液态金属的液滴大小为100nm
‑
500μm。
11.上述热界面材料的制备方法，包括以下步骤：步骤1，将液态金属和偶联剂加入分散液中进行分散，形成表面处理后的微纳米金属液滴悬浮液；步骤2，将悬浮液离心，稳定后去除上清液，得到沉淀物并放入干燥箱中进行干燥；步骤3，在干燥后的金属液滴中加入环氧树脂和增韧剂，在抽真空的情况下进行高速搅拌，得到混合均匀的膏状物复合材料；步骤4，使用时，将固化剂加入膏状物复合材料中搅拌均匀，在未固化之前涂抹在发热元件与散热元件之间，固化后即可形成热界面材料。
12.该热界面材料为热导率较高且力学性能较好的导热垫片材料，能够有效帮助发热元件与散热元件之间的热量散发，应用于在流动的液体环境中工作的散热设备，液体环境的冲刷不会造成热界面材料的分离或脱落。
13.在本发明中，通过对材料的种类、填充量等参数进行设计，可进一步提高热界面材料的热导率及稳定性。
14.有益效果：本发明对材料的类型进行创造性设计，通过加入偶联剂对金属液滴表面进行处理，再加入环氧树脂和增韧剂得到混合均匀的膏状物复合材料，使用时将固化剂加入膏状物中搅拌均匀，涂抹在发热元件与散热元件之间，固化后得到了热导率高且粘接性能好的导热垫片材料，大大降低了热界面材料与芯片或散热器之间的接触热阻，散热效果远高于固体金属薄片，能够满足浸没式液冷环境中大功率电子设备超高的散热需求。
附图说明
15.图1为本发明实施例的即时固化液态金属复合热界面材料的结构图；其中：1
‑
金属液滴，2
‑
偶联剂，3
‑
增韧剂，4
‑
环氧树脂及固化剂。
16.图2为本发明实施例的即时固化液态金属复合热界面材料的制备方法的流程图。
具体实施方式
17.为了有效提升浸没式液冷环境中电子元器件的散热效率，本发明提出了一种即时固化的液态金属复合热界面材料，使用时将复合材料涂抹在发热、散热器件表面，安装固定后待材料完全固化方可置于浸没式液冷环境中进行工作。该即时固化的液态金属复合热界面材料热导率较高，同时能够与发热、散热元器件紧密粘合在一起，大大降低了接触热阻，能够有效提升整个系统的散热效率，并且在液体环境的冲刷下也不发生分离或脱落，能够保证系统的稳定运行。
18.以下，将参照附图来描述本发明的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细
节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
19.基于现有技术存在的问题，本发明实施例基于液体导热材料及固体导热材料，设计了一种即时固化的液态金属复合热界面材料，以克服现有浸没式液冷环境中电子设备所使用的固体金属薄片导热材料接触热阻高的缺陷，下面以具体的实施例进行介绍。
20.图1示意性示出了根据本发明实施例的即时固化液态金属复合热界面材料的结构图。
21.如图1所示，本实施例提供的即时固化液态金属复合热界面材料可以包括：液态金属1、偶联剂2、增韧剂3、环氧树脂和固化剂4。
22.在本发明实施例中，液态金属例如可以包括镓基n元合金或铋基n元合金的一种，n为大于等于2的整数，其中，所述镓基n元合金包括镓铟合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌银中的至少一种，所述铋基n元合金包括铋铟合金、铋铟锡合金、铋铟锡锌合金、铋铟锡锌银合金中的至少一种；偶联剂例如可以包括kh
‑
550、kh
‑
560、kh
‑
570、kh
‑
792、kh
‑
580、kh
‑
590、dl
‑
602、dl
‑
171、span
‑
80、span
‑
85、1
‑
十二硫醇、巯基
‑
十一胺盐酸盐中的一种或几种；增韧剂例如可以包括聚酰胺、聚乙烯醇缩醛、玻璃纤维、石棉纤维、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯中的一种或几种；环氧树脂例如可以包括双酚a型环氧树脂、双酚f型环氧树脂、双酚s型环氧树脂中的一种或几种；固化剂例如可以包括乙二胺、三乙胺、三乙醇胺、二乙烯三胺中的一种或几种。
23.本发明实施例通过对即时固化的液态金属复合热界面材料结构及材料类型的设计，使得复合热界面材料具有良好的导热性能及粘接性能，不仅能够大大降低材料的接触热阻，且不会在液体环境的冲刷下造成分离或脱落，散热效果远高于固体金属薄片，可满足液体环境中大功率电子设备超高的散热需求。浸没式液冷将成为未来大型数据中心散热的主要发展方向，因此，即时固化的液态金属复合热界面材料具有广阔的应用前景。
24.为了进一步地提高即时固化的液态金属复合热界面材料的散热效果，本发明实施例对复合材料的相关参数进行了设计。
25.在本发明实施例中，液态金属的熔点可以小于30℃，热导率可以大于15w/m
•
k。液态金属的填充质量分数例如为85%
‑
97%。金属液滴尺寸例如为100nm
‑
500μm，优选500nm
‑
100μm。通过合理设计填充体积分数及金属液滴尺寸，可有效建立导热通路并提升复合材料的热导率。环氧树脂和固化剂的质量分数例如可以为3%
‑
15%，固化剂和环氧树脂的质量比为0.1
‑
1:1。偶联剂为液态金属质量分数例如可以为0.1%
‑
5%，优选0.3%
‑
3%；增韧剂为液态金属质量分数例如可以为0.1%
‑
10%，优选0.5%
‑
5%。通过合理选择偶联剂的种类及含量对金属液滴表面进行处理，能够辅助金属液滴与环氧树脂基体之间的有效结合。通过合理选择增韧剂的种类及含量，能够有效增强复合材料力学强度，在此范围内，固体材料软硬适中，不易撕裂，更有利于在液体环境中使用。
26.本发明实施例通过对即时固化的液态金属复合热界面材料各参数进行优化设计，可进一步提高复合热界面材料的散热效果。
27.基于上述实施例，本发明实施例还提供一种即时固化的液态金属复合热界面材料的制备方法，该方法通过在环氧树脂基体材料中加入采用偶联剂处理过表面的金属微纳液滴及增韧剂，最后加入固化剂搅拌均匀得到未固化的液态金属复合材料，最终得到了即时
固化的液态金属复合热界面材料。将复合材料涂抹在发热器件与散热器件之间，固化后能够有效粘接发热器件与散热器件，帮助排除二者之间的空气间隙，降低接触热阻，提高散热性能。
28.图2示意性示出了根据本发明实施例的即时固化的液态金属复合热界面材料制备方法的流程图。
29.如图2所示，该方法例如可以包括操作s201
‑
操作s204。
30.在操作s201，将液态金属和偶联剂加入分散液中进行磁力搅拌或超声粉碎，形成表面处理后的微纳米金属液滴悬浮液；在金属微纳液滴表面形成一层自适应膜，得到表面处理后的金属微纳液滴。
31.在本发明实施例中，可以利用加入偶联剂对金属液滴表面进行处理，其中，该偶联剂例如可以包括kh
‑
550、kh
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560、kh
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570、kh
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792、kh
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580、kh
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590、dl
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602、dl
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171、span
‑
80、span
‑
85、1
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十二硫醇、巯基
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十一胺盐酸盐中的一种或几种。通过对金属液滴表面进行处理，不仅能够防止液滴之间相互融合，同时能够有效促进金属液滴与环氧树脂基体的结合。
32.在操作s202，将悬浮液置于高速离心机中离心旋转，后去除上清液，得到沉淀物并放入干燥箱中进行干燥；在本发明实施例中，离心方式例如可以为：采用高速离心机以3500
‑
5000rpm搅拌5
‑
10min，使得微纳米金属液滴与分散液发生分层。最后将去除上清液的微纳米金属液滴放入真空干燥室中，在60℃的温度下干燥1h。
33.在操作s203，在干燥后的金属液滴中加入环氧树脂和增韧剂，在抽真空的情况下进行高速搅拌，得到混合均匀的膏状物复合材料；膏状物复合材料的制作方法例如可以为：采用行星搅拌机先以50
‑
500rpm搅拌，过程中伴随着抽真空处理，压强为1pa，使得微纳米金属液滴、增韧剂与环氧树脂初步混合；再以1000
‑
1500rpm搅拌，使得微纳米金属液滴、增韧剂与环氧树脂充分混合；最后以1800
‑
2800rpm搅拌，使得微纳米金属液滴、增韧剂与环氧树脂均匀混合。
34.在操作s204，使用时，将固化剂加入膏状物复合材料中搅拌均匀，在未固化之前涂抹在发热元件与散热元件之间，固化后形成热导率较高且力学性能较好的垫片材料，能够有效辅助发热元件与散热元件之间的热量散发。
35.膏状物复合材料涂抹方式例如可以为：将制备好的膏状物复合材料采用丝网印刷方法均匀涂抹在发热器件表面，厚度为30μm
‑
100μm，优选50μm
‑
80μm；再将制备好的膏状物复合材料采用丝网印刷方法均匀涂抹在散热器件表面，厚度为30μm
‑
100μm，优选50μm
‑
80μm；最后将散热器件与发热器件紧密固定在一起，复合材料在二者之间固化后形成导热垫片。
36.为了更清楚的阐述上述制备方法，下面以具体的例子进行说明。
37.实施例1本实施例提供一种即时固化的液态金属复合热界面材料的制备方法包括：步骤1，取20g液态金属镓铟合金，加入50ml酒精中，再加入0.1g偶联剂kh
‑
580，采用磁力搅拌器搅拌50min。
38.步骤2，将分散后的混合液放入高速离心机中以5000rpm的速度旋转10min，可将金
属液滴与分散液分离，去除上层分散液，将表面处理后的金属液滴放入干燥箱中以80℃的温度干燥1h。
39.步骤3，干燥后加入0.75g双酚a型环氧树脂和0.9g聚酰胺，采用行星搅拌机先以50
‑
500rpm搅拌，过程中伴随着抽真空处理，压强为1pa，使得微纳米金属液滴、增韧剂与双酚a型环氧树脂初步混合；再以1000
‑
1500rpm搅拌，使得微纳米金属液滴、增韧剂与双酚a型环氧树脂充分混合；最后以1800
‑
2800rpm搅拌，使得微纳米金属液滴、增韧剂与双酚a型环氧树脂均匀混合。
40.步骤4，将0.25g乙二胺加入膏状物复合材料中搅拌均匀，即可得到即时固化的液态金属复合热界面材料。至此，通过上述方法便可制备导热性能及稳定性良好的多层热界面材料。
41.将未固化的复合材料采用丝网印刷的方法涂抹在尺寸为4cm*4cm的铜发热块表面及均热板表面，厚度之和为100μm，在热源靠近顶部出开孔，布置热电偶，测量热源的温度，热电偶的测温精度为
±
0.5℃。将均热板与铜发热块用扣具紧密固定后，待热界面材料完全固化，将整个均热板与铜发热块系统放置于充满氟化液的环境中，开启热源，氟化液环境恒定为25℃，固定功率加热100w，待热电偶温度稳定后读取数值，为38.2℃。
42.实施例2本实施例提供一种即时固化的液态金属复合热界面材料的制备方法，与实施例1的区别在于：增加液态金属含量至23g，环氧树脂替换为双酚f型环氧树脂0.6g，固化剂替换为二乙烯三胺0.3g，其余条件不变。
43.经检测，固定功率100w在氟化液环境中加热，待热电偶温度稳定后读取数值，为37.1℃。
44.实施例3本实施例提供一种即时固化的液态金属复合热界面材料的制备方法，与实施例1的区别在于：液态金属替换为铋铟锡合金，偶联剂替换为0.15g的span
‑
85，其余条件不变。
45.经检测，固定功率100w在氟化液环境中加热，待热电偶温度稳定后读取数值，为40.3℃。
46.实施例4本实施例提供一种即时固化的液态金属复合热界面材料的制备方法，与实施例1的区别在于：增韧剂替换为1.0g邻苯二甲酸二丁酯，环氧树脂与固化剂的含量替换为1.6g与0.4g，其余条件不变。
47.经检测，固定功率100w在氟化液环境中加热，待热电偶温度稳定后读取数值，为42.6℃。
48.对照例1将厚度为100μm的金属铟片放置在铜发热块及均热板之间，用扣具紧密固定，在热源靠近顶部出开孔，布置热电偶，测量热源的温度，热电偶的测温精度为
±
0.5℃。将整个均热板与铜发热块系统放置于充满氟化液的环境中，开启热源，氟化液环境恒定为25℃，固定
功率加热100w，待热电偶温度稳定后读取数值，为96.2℃。
49.通过对比可以发现，采用即时固化的液态金属复合热界面材料远比固体金属材料散热效果好，且即时固化的液态金属复合热界面材料在氟化液的环境冲刷下未发生分离或脱落，也不与氟化液发生反应，因此，选择采用即时固化的液态金属复合热界面材料作为液体环境中的热界面材料具有广阔的应用前景。
50.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。