淺談AI時代的候選熱管理材料：液態金屬

發布時間 | 2025-01-25 22:57 分類 | 粉體應用技術點擊量 | 799

導讀：液態金屬還可以用作載流潤滑劑、磁流體發電、限流器、電驅動器等高溫、高壓、高導熱領域。然而，液態金屬目前仍存在一些問題，如材料的可持續性、制備成本較高、材料結合強度、大規模制備等問題...

隨著人工智能、可穿戴設備等技術的飛速發展，傳統的熱管理材料已經較難滿足當前微電子產業的發展需求。而以金屬鎵為代表的液態金屬（LM），因具有高熱導率、優異的生物相容性、良好的流動性等物理化學性質，在柔性電子器件、熱界面材料、智能機器人傳感器等領域展現出巨大的應用前景。接下來，小編將為大家介紹一下液態金屬及其相關復合材料。

（圖源：文獻1）

什么是液態金屬？

液態金屬（LM），又稱低熔點金屬，是指熔點在300℃以下，常溫下以液態形式存在的金屬或合金，具有耐腐蝕、耐磨、熱導率高、流動性好、熱阻低等諸多優點。傳統的金屬原子一般呈有序排列、有晶界、微觀結構不均勻，而液態金屬呈無序排列、無晶界、微觀結構均勻，它形成的關鍵條件是在金屬熔體的冷卻過程中讓其冷卻速率足夠大，熔體處于過冷狀態，此時金屬熔體的剪切粘度會急劇增大，導致傳質過程困難，結晶反應因而被抑制，熔體中的原子來不及進行規則排列而形成獨特的短程有序，長程無序的原子排布。常見的液態金屬主要有銫、鈁、銣、汞、鎵，但由于汞在常溫下可以氣化且具有一定的毒性；銫、銣、鈁3種金屬具有較強的放射性，因而在一定程度上限制它們的應用。

典型液態金屬與水的熱物理性質對比表（圖源：文獻6）

液態金屬復合材料

液態金屬雖然具有較高的熱導率，但由于其具有較強的流動性，因此在實際應用過程中，容易出現泄露問題，導致電路短路、器件損耗等情況的發生。因此，常常將其包裹在聚合物基體中，制成聚合物基復合材料來進行使用。通常情況下，不同的制備方法會影響液態金屬在聚合物基體中的分布，進而影響復合材料的整體導熱性。液態金屬在聚合物基體中的結構分布大致可以分為非連續分布、單向連續分布以及三維連續分布。

1、非連續分布

非連續分布是指液態金屬在聚合物基體中呈液滴狀，孤立分散于聚合物基體中。這種情況下液態金屬被聚合物重重包裹著，缺乏有效的導熱路徑，因此熱導率的提升有限。只有液態金屬的體積分數較高時，才會獲得較高的熱導率，而過多的液態金屬又會使復合材料的力學性能急劇下降。因此，應該合理設計液態金屬在聚合物基體中的分布，選擇合適的聚合物種類、調控液態金屬填料的含量和成分，制備能適應不同熱管理需求的導熱復合材料。通常，將液態金屬和未固化的聚合物(如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅油等)進行機械混合，可得到該種復合材料，其通常具有各向同性的導熱性能，但熱導率提升有限。

Mei等通過機械攪拌的方式將鎵銦錫合金和硅油混合，得到非連續分布的液態金屬/硅油導熱硅脂，當鎵銦錫合金的體積分數為81.8%時，該復合材料的熱導率為5.27W/(m·K)，可以很均勻地涂抹在金屬表面。由于鎵銦錫合金被硅油包裹，因此，在維持復合材料電絕緣狀態的同時，還解決了液態金屬對Al基底的腐蝕問題。

機械攪拌法制備鎵銦錫合金非連續分布的PDMS基復合材料示意圖（圖源：文獻2）

2、單向連續分布

單向連續分布是指液態金屬具有一定取向的排列特征，在擇優取向方向上，液態金屬會連續或準連續分布，形成熱傳導路徑；在垂直于連續分布的方向上，液態金屬填料會被聚合物分離，而難以形成有效的導熱通路，因此復合材料具有各向異性的導熱特性。在液態金屬體積分數較小的情況下，液態金屬復合材料在某一方向上會獲得較高的熱導率。與非連續分布相比，在定向排列的方向上熱量傳遞更有效，因而使用較少的液態金屬就能使某一方向上的熱導率顯著提升。針對不同的熱管理應用場合，可選用不同的制備方法，來實現目標方向上的導熱性能強化，對于熱界面材料等縱向散熱場合而言，可以利用磁場約束，使復合材料的縱向熱導率提升，而對于均熱板等橫向散熱的應用場合來說，可利用拉伸或抽濾的方法，使橫向熱導率提升。

Ralphs等向鎵銦錫合金中添加鍍Ag的Ni顆粒，由于Ag增加了Ni與液態金屬之間的潤濕性，因此，兩者能更緊密地結合在一起。隨后，將該液態金屬基混合填料與硅橡膠混合，并將混合物置于磁場中，利用帶有磁性的Ni使液態金屬混合填料在磁場作用下沿磁場方向縱向排列。當填料體積分數為50%時，所得復合材料的熱導率接近6W/(m·K)。

3、三維連續分布

三維連續分布是指液態金屬在橫向、縱向等多個方向上均呈連續分布且均能提供導熱通路，所制成的復合材料具有各向同性的高熱導率。在聚合物內部構建液態金屬網絡，可以在液態金屬含量較低的情況下，同時提高多個方向上的熱導率，制成的復合材料也因此可以適用于各種熱管理場合，具有廣闊的應用前景。然而，當前在聚合物基體中構建液態金屬三維網絡的方法較為單一，多數為模板法，因而會受制于模板，導致制備過程復雜耗時、靈活性不高。因此，找尋更加簡單、靈活的液態金屬三維網絡結構制備方法，是實現高導熱、各向同性聚合物基導熱材料工業化的關鍵步驟。

Yao等通過糖模板法制得PDMS泡沫，隨后，通過真空處理使鎵銦共晶合金滲透到PDMS泡沫中，形成鎵銦共晶合金的體積分數為15%的三維網絡。在60%的壓縮應變下，所得復合材料的面內和面外熱導率分別達到4.25W/(m·K)和4.05W/(m·K)，顯示出較好的導熱性能。

糖模板法制備液態金屬三維網絡的聚合物基復合材料示意圖（圖源：文獻2）

應用

1、柔性器件

液態金屬由于具有較強的柔韌性、出色的流動性等特點，可以大大增強柔性傳感器的靈敏度和拉伸極限，在該領域有非常廣泛的應用前景。

鎵基液態合金具有良好的導熱、導電性，對人體無害，其熔點一般低于30℃，飽和蒸氣壓很低，是一種非常理想的柔性電極材料。相較傳統的柔性電極材料，鎵基液態合金擁有優良的導電性，柔性電子器材元件的內部電路可以通過設計微流道后以注入液態合金的方式實現。由液態合金材料制成的柔性電子器件即使在發生較大的拉伸、壓縮、彎曲及扭絞等情況下，仍然能夠保障器件的正常使用，新型的鎵基液態合金甚至可以實現自行修復或愈合電路。

2、熱界面材料

目前，市面上常用的熱界面材料主要為有機硅脂，但其存在熱導率較低的問題，一般只有0.2W/(m·K)。而液態金屬擁有非常好的導熱能力，如鎵的熱導率為33W/(m·K)，即使被制成有黏附性的熱界面材料，其熱導率仍可以維持在15W/(m·K)，遠高于傳統的硅脂材料。液態金屬基導熱材料性能非常穩定、使用壽命長，無有機物揮發，不會出現傳統熱界面材料發干、性能惡化的問題，使其在計算機芯片、大功率電子設備、光電器件等先進設備中展現出高效的散熱效果及穩定性，有效保障電子器件的穩定運行。

3、循環工質

當空氣冷卻無法滿足電子設備不斷增長的發熱量時，液冷技術作為一種新穎有效的散熱技術應運而生。傳統冷卻劑的傳熱性能較差，無法達到電子設備的需求。液態金屬因其良好的導電性而能夠由電磁泵驅動，驅動效率高，能耗低；與水、油和熔鹽等非金屬介質相比，液態金屬具有更高的導熱系數，因此液態金屬散熱模塊可以實現更極致的散熱能力；液態金屬的理化性能穩定，可以保證散熱系統高效、長期、穩定地運行。液態金屬不同于水、油等經典流體，其獨特之處在于受到非接觸電磁力或氧化還原反應誘導的力的作用時，會發生移動和變形。液態金屬熱回路可通過無運動部件的電磁泵驅動，無噪音，能耗低。導電電磁泵具有結構簡單、體積小、成本低等優點，常被應用在液態金屬電子冷卻系統中，而感應式電磁泵具有體積流量大、不需要大電流低電壓的電源等特點，更適用于大型能源系統。