CN108251072B - 一种液态金属复合相变材料的制备方法 - Google Patents

一种液态金属复合相变材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

一种液态金属复合相变材料的制备方法，属于定型复合相变材料领域。先将不同比例的水溶性金属盐，碳纳米管和聚偏氟乙烯原料混合均匀，置于特定形状的模具中烘干，最后在热水中溶解里面的金属盐得到特定形状的柔性碳纳米管海绵。采用熔融浸渍法将制备的碳纳米管海绵载体材料和液态金属同时置于真空环境下，选择合适的温度将液态金属芯材熔融，在真空环境下利用碳纳米管海绵载体材料的孔道将液态金属芯材吸附限制在孔道之中，然后冷却得到液态金属复合相变材料。本发明可实现不同温度范围的CPU高效散热；通过改变原料种类及比例实现孔道结构的可控制备；封装的定型复合相变材料能解决液态金属自由流动造成的电子元件线路短路问题，同时也可满足动态的柔性电子元件散热。

Description

一种液态金属复合相变材料的制备方法
技术领域
本发明属于定型复合相变材料领域，具体涉及一种液态金属复合相变材料的制备方法。
背景技术
电子散热关系到电子设备的寿命和可靠性，是影响当今电子行业发展的一个瓶颈。伴随着电子产业高性能、微型化、集成化三大趋势的发展，散热问题越来越突出。尤其对于热负荷敏感度较高的芯片而言，热量在芯片处的累积将严重影响其稳定性和使用寿命。研究表明,单个电子元件的工作温度如果升高10℃，其可靠性则会减少50％；而CPU的失效问题大多是由过热引起的。CPU工作产生的大量热量如果不及时排散到外部环境，轻则导致死机，重则可能会烧毁芯片。伴随CPU性能的不断升级，其散热技术由风冷散热、热管散热上升至水冷散热、导热硅脂散热等更高技术，但仍然未能完全满足人们对芯片散热的需求。而液态金属的导热率突破传统导热数倍，可以使散热效率更加高效。
液态金属通常是指在常温下呈液态的合金功能材料，如熔点在30℃以下的金属及其合金材料，也包括在40℃-300℃工作温区内呈液态的低熔点合金材料。液态金属具有熔点低、高热导率/电导率、性质稳定、耐高温、不易挥发、无毒环保等特点，可根据不同需求调整其熔点、粘附性、流动性、电导率、热导率等技术参数。出于对超小体积、低功耗、低噪音乃至高品质体验的要求，目前液态金属主要用于高端CPU散热。尽管液态金属能够充分填充热界面微空隙，极大地提高发热体与散热界面的热传导速率，使散热效率更高，但是由于液态金属在工作时处于液态，所以容易导致电子线路短路问题，这将直接影响CPU的正常运行，甚至会损坏CPU。因此，我们以水溶性金属盐为模板利用碳纳米管和聚偏氟乙烯(Poly(vinylidene fluoride)，PVDF)合成形状可控的柔性碳纳米管海绵，用于封装液态金属制备成定型复合相变材料(Shape Stabilized Phase Change Materials，ss-PCMs)，这种方法将液态金属固定在海绵孔道内部，可以有效地解决液态金属自由流动造成的线路短路问题。此外，碳纳米管海绵具有很好的柔性，可以制成不同的形状，可以满足动态的柔性电子元件散热，因此具有更加广泛的散热应用前景。
发明内容
本发明的目的在于，以水溶性金属盐为模板，碳纳米管和聚偏氟乙烯为原料制备柔性碳纳米管海绵，进而利用孔道封装液态金属相变芯材制备一种新型液态金属复合相变材料，从而开发一种简单化、快速化、绿色化的新型液态金属复合相变材料，提高电子元件CPU的散热性能，制备的定型复合相变材料可以有效地解决液态金属自由流动造成的线路短路问题，同时液态金属选择多样化，可以满足不同温度范围的CPU高效散热，也可以满足动态的柔性电子元件散热。
本发明的技术方案：1)首先采用物理混合法将不同比例的水溶性金属盐，碳纳米管和聚偏氟乙烯原料混合均匀，置于特定形状的模具中，然后置于200-300℃烘箱中一定的时间得到特定形状的块体材料，最后将其放在热水中彻底溶解里面的金属盐从而得到特定形状的柔性碳纳米管海绵。其中，调节原料的比例可以得到不同孔径的柔性碳纳米管海绵，从而更好地匹配不同类型的液态金属芯材；2)采用熔融浸渍法，将制备的碳纳米管海绵载体材料和液态金属同时置于真空环境下，根据液态金属芯材的种类，选择合适的温度将其熔融，在真空环境下利用载体材料的孔道将液态金属芯材吸附限制在孔道之中，然后冷却得到新型液态金属复合相变材料。
具体制备步骤为：
(1)柔性碳纳米管海绵载体的制备：
首先将水溶性金属盐，碳纳米管和聚偏氟乙烯原料混合均匀，然后置于特定形状的模具中放在200-300℃烘箱中1-5h。最后将上述产物置于50-90℃热水中洗涤多次彻底除去里面的水溶性金属盐，100-150℃真空干燥12-36h得到特定形状的柔性碳纳米管海绵载体材料。其中，水溶性金属盐：碳纳米管：聚偏氟乙烯的质量比：1-10:1-100:1-10。
(2)液态金属复合相变材料的制备：
将上述制备的柔性碳纳米管海绵载体材料在100℃条件下抽真空12-36h，将内部的孔道完全打开。然后将真空处理过的碳纳米管海绵载体材料和液态金属同时置于真空烧瓶中，根据液态金属芯材的种类，选择合适的温度将其熔融，在真空环境下利用载体材料的孔道将液态金属芯材吸附限制在孔道之中，然后冷却得到新型液态金属复合相变材料。其中，液态金属芯材和碳纳米管海绵载体的质量比为1-100:1-100。
进一步地，所述的水溶性金属盐包括：氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙、氯化铵、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、硫酸钠、硫酸钾、硫酸氢钠、硫酸氢钾等其中的一种或几种。
进一步地，所述的液态金属芯材包括：Bi20Pb20Hg60(20℃)、Bi45Pb23Sn8Cd5In19(47℃)、Bi49Pb18Sn12In21(57℃)、Bi50Pb27Sn13Cd10(70℃)、Bi52Pb40Cd8(92℃)、Bi53Pb32Sn15(96℃)、Bi54Pb26Cd20(103℃)、Bi55.5Pb44.5(124℃)、Bi56Sn40Zn4(130℃)、Bi29Pb43Sn28(132℃)、Bi57Sn43(138℃)、Pb32Sn50Cd18(145℃)、Bi50Pb50(160℃)等其中的一种或几种，其中下标数字代表成分百分含量，温度代表熔点。
本发明的优点在于：1)开发一种简单化、快速化、绿色化的新型液态金属复合相变材料；2)液态金属选择多样化，可以实现不同温度范围的CPU高效散热；3)孔道结构可调，可以有效地防止液态金属自由流动造成的电子元件线路短路问题，同时也可以满足动态的柔性电子元件散热。
附图说明
图1为本发明实施案例1得到的碳纳米管海绵的柔性演示图。
图2为本发明实施案例1得到的碳纳米管海绵的SEM。
图3为本发明实施案例1得到的碳纳米管海绵的TEM。
图4为本发明实施案例1得到的碳纳米管海绵的Raman。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式对本发明的技术方案做进一步说明。
实施案例1
(1)柔性碳纳米管海绵载体材料的制备：
将1g聚偏氟乙烯、7g氯化钠和0.2g碳纳米管机械混合均匀，然后加入到圆柱型模具中，置于200℃烘箱中4h，取出产物浸入到90℃热水中彻底溶解里面的氯化钠，最后在100℃真空烘箱中干燥24h得到圆柱型柔性碳纳米管海绵载体材料，其中柔性演示如图1所示，SEM如图2所示，TEM如图3所示，Raman如图4所示。
(2)液态金属复合相变材料的制备：
将上述制备的柔性碳纳米管海绵载体材料在100℃条件下抽真空24h，将内部的孔道完全打开。然后将真空处理过的碳纳米管海绵载体材料和液态金属Bi45Pb23Sn8Cd5In19同时置于真空烧瓶中，加热到50℃将其熔融，在真空环境下利用载体材料的孔道将液态金属Bi45Pb23Sn8Cd5In19吸附限制在孔道之中，然后冷却得到新型液态金属Bi45Pb23Sn8Cd5In19复合相变材料。
实施案例2
(1)柔性碳纳米管海绵载体材料的制备：
将0.8g聚偏氟乙烯、5g氯化钠和0.3g碳纳米管机械混合均匀，然后加入到正方型模具中，置于220℃烘箱中2h，取出产物浸入到80℃热水中彻底溶解里面的氯化钠，最后在120℃真空烘箱中干燥18h得到正方型柔性碳纳米管海绵载体材料。
(2)液态金属复合相变材料的制备：
将上述制备的柔性碳纳米管海绵载体材料在100℃条件下抽真空18h，将内部的孔道完全打开。然后将真空处理过的碳纳米管海绵载体材料和液态金属Bi49Pb18Sn12In21同时置于真空烧瓶中，加热到60℃将其熔融，在真空环境下利用载体材料的孔道将液态金属Bi49Pb18Sn12In21吸附限制在孔道之中，然后冷却得到新型液态金属Bi49Pb18Sn12In21复合相变材料。
实施案例3
(1)柔性碳纳米管海绵载体材料的制备：
将0.6g聚偏氟乙烯、6g氯化钠和0.5g碳纳米管机械混合均匀，然后加入到长方型模具中，置于240℃烘箱中1h，取出产物浸入到85℃热水中彻底溶解里面的氯化钠，最后在140℃真空烘箱中干燥20h得到长方型柔性碳纳米管海绵载体材料。
(2)液态金属复合相变材料的制备：
将上述制备的柔性碳纳米管海绵载体材料在100℃条件下抽真空20h，将内部的孔道完全打开。然后将真空处理过的碳纳米管海绵载体材料和液态金属Bi50Pb27Sn13Cd10同时置于真空烧瓶中，加热到75℃将其熔融，在真空环境下利用载体材料的孔道将液态金属Bi50Pb27Sn13Cd10吸附限制在孔道之中，然后冷却得到新型液态金属Bi50Pb27Sn13Cd10复合相变材料。
实施案例4
(1)柔性碳纳米管海绵载体材料的制备：
将0.5g聚偏氟乙烯、10g氯化钠和0.8g碳纳米管机械混合均匀，然后加入到菱型模具中，置于250℃烘箱中5h，取出产物浸入到80℃热水中彻底溶解里面的氯化钠，最后在120℃真空烘箱中干燥36h得到菱型柔性碳纳米管海绵载体材料。
(2)液态金属复合相变材料的制备：
将上述制备的柔性碳纳米管海绵载体材料在100℃条件下抽真空36h，将内部的孔道完全打开。然后将真空处理过的碳纳米管海绵载体材料和液态金属Bi52Pb40Cd8同时置于真空烧瓶中，加热到95℃将其熔融，在真空环境下利用载体材料的孔道将液态金属Bi52Pb40Cd8吸附限制在孔道之中，然后冷却得到新型液态金属Bi52Pb40Cd8复合相变材料。

Claims (4)

1.一种液态金属复合相变材料的制备方法，其特征在于制备步骤为：
1)首先采用物理混合法将不同比例的水溶性金属盐，碳纳米管和聚偏氟乙烯原料混合均匀，置于特定形状的模具中，然后置于200-300℃烘箱中一定的时间得到特定形状的块体材料，最后将其放在热水中彻底溶解里面的金属盐从而得到特定形状的柔性碳纳米管海绵；其中，调节原料的比例可以得到不同孔径的柔性碳纳米管海绵，从而更好地匹配不同类型的液态金属芯材；
2)采用熔融浸渍法，将制备的碳纳米管海绵载体材料和液态金属同时置于真空环境下，根据液态金属芯材的种类，选择合适的温度将其熔融，在真空环境下利用载体材料的孔道将液态金属芯材吸附限制在孔道之中，然后冷却得到液态金属复合相变材料。
2.如权利要求1所述一种液态金属复合相变材料的制备方法，其特征在于具体制备步骤为：
(1)柔性碳纳米管海绵载体的制备：
首先将水溶性金属盐，碳纳米管和聚偏氟乙烯原料混合均匀，然后置于特定形状的模具中放在200-300℃烘箱中1-5h；最后将上述产物置于50-90℃热水中洗涤多次彻底除去里面的水溶性金属盐，100-150℃真空干燥12-36h得到特定形状的柔性碳纳米管海绵载体材料；其中，水溶性金属盐：碳纳米管：聚偏氟乙烯的质量比：1-10:1-100:1-10；
(2)液态金属复合相变材料的制备：
将上述制备的柔性碳纳米管海绵载体材料在100℃条件下抽真空12-36h，将内部的孔道完全打开；然后将真空处理过的碳纳米管海绵载体材料和液态金属同时置于真空烧瓶中，根据液态金属芯材的种类，选择合适的温度将其熔融，在真空环境下利用载体材料的孔道将液态金属芯材吸附限制在孔道之中，然后冷却得到液态金属复合相变材料；其中，液态金属芯材和碳纳米管海绵载体的质量比为1-100:1-100。
3.如权利要求1或2所述一种液态金属复合相变材料的制备方法，其特征在于所述的水溶性金属盐包括：氯化钠、氯化钾、氯化镁、氯化钙、氯化铵、碳酸钠、碳酸钾、碳酸氢钠、碳酸氢钾、硫酸钠、硫酸钾、硫酸氢钠、硫酸氢钾其中的一种或几种。
4.如权利要求1或2所述一种液态金属复合相变材料的制备方法，其特征在于所述的液态金属芯材包括：Bi20Pb20Hg60熔点为20℃、Bi45Pb23Sn8Cd5In19熔点为47℃、Bi49Pb18Sn12In21熔点为57℃、Bi50Pb27Sn13Cd10熔点为70℃、Bi52Pb40Cd8熔点为92℃、Bi53Pb32Sn15熔点为96℃、Bi54Pb26Cd20熔点为103℃、Bi55.5Pb44.5熔点为124℃、Bi56Sn40Zn4熔点为130℃、Bi29Pb43Sn28熔点为132℃、Bi57Sn43熔点为138℃、Pb32Sn50Cd18熔点为145℃、Bi50Pb50熔点为160℃其中的一种或几种，其中下标数字代表成分百分含量，温度代表熔点。
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