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新型传热技术[6]:液态金属在热管理领域的应用

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发表于 2020-11-15 16:51:21 | 显示全部楼层 |阅读模式
液态金属是指一种不定型金属,可以看作是由正离子流体和自由电子气组成的混合物。它在常温常压下呈液态,由于其不定性的液体形态使得液态金属具有极佳的电性能、热力学性能和导热性能。液态金属采用低温熔炼制备工艺,将不同的金属材料按照一定的配比,通过温度控制使其充分融合,从而形成新的金属材料。根据成分配比,液态金属材料会具备不同的功能属性,如吞噬效应和自驱动等特殊功能,在电子制造、散热、空间、生医等领域有着重要应用前景,是近年来学术界和产业界关注的热点。其中,液态金属在热管理领域的应用主要体现在热界面材料、对流循环和相变储能。
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1液态金属应用
1)热界面材料应用
热界面材料(Thermal Interface Material)是用于涂敷在散热器件与发热器件之间用以降低接触热阻所使用的材料的总称。目前,市场上常用的热界面材料主要是有机硅脂,其不足之处在于热导率较低,一般只有0.2 W/(m·K)左右,其导热能力有限。在导热硅脂中添加高导热纳米颗粒可以提升其热导率,比如,添加铜或铝纳米颗粒可以使其热导率到达1 W/(m·K)左右,但在高热流场合还是难以满足实际需求。与普通的硅脂热界面材料相比,液态金属热界面材料的热导率更高,具有热阻低、可靠性高等优点。液态金属在热界面材料方面的使用形式主要有液态金属导热膏和金属导热垫片两种。常见热界面材料的技术参数如下表1所示:
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图2液态金属导热膏                   图3金属导热垫片
1 热界面材料技术参数
类别
产品
材料导热率
W/m·k
接触热阻
cm2·K/W
优势
缺点
导热膏
液态金属导热膏
20~30
0.05~0.15
热阻低,可靠性较高
对铝腐蚀,导电
导热硅脂
3~8
0.14~0.4
市场成熟度高,热阻较低
可靠性低,容易热失效
导热垫片
金属导热垫片
20~80
0.1~0.4
热阻低,可靠性较高
较高的压缩模量,需要较大压紧力
硅基导热垫片
5~15
0.5~1
可靠性高
热阻高
2)对流循环散热应用
基于液态金属的微小流道冷却技术被认为是解决高热流芯片冷却难题的一种有效方案[2]。利用液态金属作为传热介质,主要应用领域是散热空间小,结构紧凑的微小型电子设备的散热,例如平板电脑和笔记本电脑。2002年,中国科学院理化技术研究所提出将室温液态金属引入到高性能计算机芯片冷却当中,将室温液态金属引入民用电子器件冷却是一种重要突破,改变了人们对于传统液态金属材料的认识,并由此开启了液态金属在电子芯片冷却领域的应用。表2是在循环散热系统里分别采用水和液态金属作为冷却介质时物性参数的不同。由于液态金属具有优越的高热性能,在微流道冷却技术等超级芯片冷却领域具有显著优势,散热能力远优于传统水冷。
2 流动循环传热介质参数对比
名称
液态金属
密度(kg/m3)
1000
6200
热导率(W/m·k)
0.6
30
比热容(J/kg*k)
4200
500
运动粘度(m2/s)
0.415
0.338
对流换热系数(W/m2·k)
3000
20000
(3)相变储能应用
使用液态金属制备的复合相变储热材料具有高热导率、稳定性好、制作简单等特点,可满足传热蓄热及储能等领域需求。其中,液态金属电池(如图4)是液态金属在相变储能应用方面最具发展潜力的一项技术。近日,美国克萨斯大学奥斯汀分校的研究人员开发了一种室温全液态金属电池,创下了目前液态金属电池的最低工作温度记录。并且,该型电池具有较高的功率密度和能量密度,能满足能量型和功率型双重应用特点,应用潜力大。
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4液态金属电池
作为近年来兴起发展起来的高性能热管理材料,液态金属在提升对流冷却、热界面材料以及相变储能等方面表现出了特殊优越效能,特别在冷却能力上实现了较传统冷却技术量级上的提升,为打破芯片“热障”难题提供了全新的高性能冷却技术支撑。可以预见,未来液态金属高性能冷却技术将在热管理领域发挥越来越重要的作用。

原创内容,转载请注明
中国热管理产业技术创新战略联盟 原创发布

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