一种强化金属材料与有机材料界面传热的方法

1.本发明涉及强化传热领域，具体涉及的是一种强化金属材料与有机材料界面传热的方法。


背景技术：

2.金属/有机界面传热广泛存在于能量产生、转化、传输领域。热界面材料是以有机材料为基底，通过添加高导热填料增加其热导率，用于填充间隙，而金属微纳米颗粒是其中一种常用的高导热填料。金属微纳米颗粒与有机材料之间形成了大量的界面，造成了大量掺杂金属颗粒而热界面材料导热性能提升有限的局限。纳米流体是将高导热颗粒添加于水或油等有机液体中，提升流体的热导率。金属微纳米颗粒与有机液体接触时会有很大的界面热阻。固液相变材料是固液相变储热的介质，由于相变的热导率较小，一般通过在相变材料内部构建金属肋片或添加金属颗粒，增加其热导率。大量的金属/有机界面使热源与相变材料之间的温差增加，降低了热能存储的效率。总而言之，这些界面传热瓶颈最终导致材料和器件可靠性降低。因此，加强界面热输运是许多前沿技术领域面临的技术挑战。
3.尤其对于金属/有机界面，从微观导热机制看，金属是电子导热主导，导热硅脂是声子导热主导，二者能量传递机制不同，造成了巨大的界面热阻。为了增强金属/有机界面传热，人们通常采用强化界面声子传输的方法，在界面处插入一层中间材料，用于增加声子态密度匹配性和增强界面结合强度。但是这种方法仅仅是从声子的角度出发，而金属内部的主要载热子为电子，因此对界面强化传热的效果有限。如何强化电子-声子界面热输运是金属/有机界面强化传热的关键。


技术实现要素：

4.为了强化金属/有机界面传热，本发明提供了一种强化金属材料与有机材料界面传热的方法。本发明的方法是将电声耦合材料用于金属/有机界面处，作为连接电子与声子导热的桥梁，其中金属材料与电声耦合材料之间以电子导热为主，有机材料与电声耦合材料之间以声子导热为主，强化电子-声子界面热输运，实现金属/有机界面强化传热。
5.本发明首先提供了一种强化金属材料与有机材料界面传热的方法，包括如下步骤：在金属材料和有机材料界面处引入一层电声耦合材料。
6.上述的方法中，所述金属材料与有机材料以平面形式相连；或，
7.所述金属材料分散在有机材料基质中。
8.所述电声耦合材料为导电性能介于金属材料与有机材料之间的材料，包括导电聚合物、离子液体或液态金属。
9.所述导电聚合物为主链具有共轭主电子体系，可通过掺杂达到导电态的材料；具体可为聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯或聚双炔；
10.所述离子液体由阳离子和阴离子构成；所述阳离子为季铵盐离子、季鏻盐离子或咪唑盐离子；所述阴离子为卤素离子、四氟硼酸根离子或六氟磷酸根离子；更具体可为1-乙
基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
11.所述液态金属为熔点在室温的纯金属或合金；具体可为镓、镓铟、镓铟锡、镓铟锡锌、铟、铟锡、铋铟锡或铋铟锡铅；更具体可为镓铟合金。
12.上述的方法中，所述金属材料和所述电声耦合材料以金属键、共价键或范德华力相连；
13.所述电声耦合材料和所述有机材料以共价键、氢键或范德华力相连。
14.上述的方法中，所述金属材料和所述电声耦合材料的连接方法为浸泡、旋涂、磁控溅射、高温腐蚀或电镀；
15.所述电声耦合材料和所述有机材料的连接方法为浸泡、旋涂、磁控溅射、高温腐蚀或电镀。
16.上述的方法中，所述金属材料为铝、铜、铁、镍等纯金属及其合金中的一种；具体可为铜。
17.所述有机材料为高分子聚合物或硅油等；具体可为聚二甲基硅氧烷。
18.本发明还提供了一种复合材料，包括依次连接的金属材料、电声耦合材料和有机材料。
19.上述的复合材料，所述金属材料与有机材料以平面形式相连；或，
20.所述金属材料分散在有机材料基质中。
21.所述电声耦合材料为导电性能介于金属材料与有机材料之间的材料，包括导电聚合物、离子液体或液态金属。
22.具体的，所述导电聚合物为主链具有共轭主电子体系，可通过掺杂达到导电态的材料；更具体可为聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯或聚双炔；
23.具体的，所述离子液体由阳离子和阴离子构成；所述阳离子为季铵盐离子、季鏻盐离子或咪唑盐离子；所述阴离子为卤素离子、四氟硼酸根离子或六氟磷酸根离子；更具体可为1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。
24.所述液态金属为熔点在室温的纯金属或合金；更具体可为镓、镓铟、镓铟锡、镓铟锡锌、铟、铟锡、铋铟锡或铋铟锡铅。
25.上述的复合材料，所述金属材料和所述电声耦合材料以金属键、共价键或范德华力相连；
26.所述电声耦合材料和所述有机材料以共价键、氢键或范德华力相连；
27.具体的，所述金属材料和所述电声耦合材料的连接方法可为浸泡、旋涂、磁控溅射、高温腐蚀或电镀；
28.所述电声耦合材料和所述有机材料的连接方法可为浸泡、旋涂、磁控溅射、高温腐蚀或电镀。
29.上述的复合材料，所述金属材料为铝、铜、铁、镍等纯金属及其合金中的一种；具体可为铜。
30.所述有机材料为高分子聚合物或硅油等；具体可为聚二甲基硅氧烷。
31.本发明的方法是将电声耦合材料用于金属/有机界面处，作为连接电子与声子导热的桥梁，其中金属材料与电声耦合材料之间以电子导热为主，有机材料与电声耦合材料之间以声子导热为主；本发明的方法有助于增强金属/有机界面传热性能，提高热界面材
料、纳米流体、固液相变材料的性能。
附图说明
32.图1为本发明结构的示意图；图中，1金属材料，2电声耦合材料，3有机材料。
33.图2为本发明结构的实施例2示意图；图中，1金属材料，2电声耦合材料，3有机材料。
具体实施方式
34.下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
35.下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
36.下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
37.下述实施例所用镓铟合金为金属镓与金属铟的共晶合金，熔点为15摄氏度。首先称量75.5％镓与24.5％铟(以质量计)，放置在坩埚中，在100℃下加热2小时，取出后搅拌2分钟即可得到镓铟合金。
38.聚二甲基硅氧烷购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
39.1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司。
40.本发明的方法是在金属表面附着一层电声耦合材料，然后在电声耦合材料表面附着有机材料，形成一种三明治结构。其原理为金属材料与电声耦合材料之间以电子导热为主，有机材料与电声耦合材料之间以声子导热为主，通过电声耦合材料搭建了连接电子导热与声子导热的桥梁。
41.实施例1
42.如图1所示，提供了一种三明治结构的材料，其为平板形式，包括金属材料1，电声耦合材料2和有机材料3；所述电声耦合材料2在所述金属材料1和有机材料3中间。
43.其中，所述电声耦合材料3为液态金属镓。
44.所述金属材料1可以为铜、铁、镍等纯金属及其合金；
45.所述有机材料3可以为高分子聚合物、硅油等；
46.所述金属材料1与电声耦合材料2以金属键或范德华力相连；具体的，可以通过将金属材料1浸泡在电声耦合材料2中，然后将其放置在高温炉10分钟，从而使得二者界面处形成金属键；也可以通过将电声耦合材料2旋涂在金属材料1表面，从而使得二者以范德华力形式相连。
47.所述有机材料3与电声耦合材料2以共价键、氢键或范德华力相连；具体的，可以通过将有机材料3进行硫化处理，形成-hs端基，与电声耦合材料2以共价键形式相连；也可以通过将有机材料3进行羟基或羧基处理，形成-oh、-cooh端基，与电声耦合材料2以氢键形式相连；若无上述官能团，则以范德华力形式相连。
48.对于电声耦合材料3为液态金属镓的三层结构，在金属材料1内部，电子携带大部分能量，传递至金属材料1/电声耦合材料2界面处；然后电子穿越界面传递至电声耦合材料2内部，在内部发生电声耦合作用，将部分能量传递至声子；然后在电声耦合材料2/有机材料3的界面处，两种材料主要通过声子进行热传导，将能量传递至有机材料3，从而实现了金
属/有机界面的强化传热。
49.实施例2
50.如图2所示，金属材料分散在有机材料基质中，包括金属材料1，电声耦合材料2和有机材料3。本实施例中，首先将电声耦合材料2附着在金属材料1的表面，然后再将金属材料1分散在有机材料3中。材料选择与连接方式与实施例一相同。
51.实施例3
52.1、铜粉/镓铟/聚二甲基硅氧烷复合材料的制备
53.首先，室温环境下，将20g铜粉(800目)浸泡在30ml、1mol/l盐酸中10分钟，去除表面氧化层；然后，向溶液中倒入110g镓铟合金，室温下搅拌10分钟，使铜粉表面镀上一层液态金属；然后取出液态金属与铜粉的混合物，进行烘干，完全去除水分；将烘干后的混合物加入21g聚二甲基硅氧烷中充分搅拌10分钟，放置于真空干燥箱中抽真空30分钟后，120℃加热2小时，进行固化。
54.2、铜粉/聚二甲基硅氧烷复合材料的制备
55.室温环境下，将89g铜粉(800目)浸泡在50ml、1mol/l盐酸中10分钟，去除表面氧化层；然后取出铜粉进行干燥，完全去除水分；随后将铜粉加入10g聚二甲基硅氧烷中充分搅拌10分钟，放置于真空干燥箱中抽真空30分钟后，120℃加热2小时，进行固化。
56.3、镓铟/聚二甲基硅氧烷复合材料的制备
57.将64g镓铟合金加入10g聚二甲基硅氧烷中充分搅拌10分钟，放置于真空干燥箱中抽真空30分钟后，120℃加热2小时，进行固化。
58.铜粉/镓铟/聚二甲基硅氧烷复合材料中，金属材料1为800目铜粉，电声耦合材料2为镓铟合金，有机材料3为聚二甲基硅氧烷。测定上述材料的热导率，铜粉/镓铟/聚二甲基硅氧烷复合材料的热导率为6.20w/(m
·
k)。铜粉/聚二甲基硅氧烷复合材料的热导率为0.96w/(m
·
k)；镓铟/聚二甲基硅氧烷复合材料的热导率为2.10w/(m
·
k)。由以上可知，镓铟合金作为键合材料，有利于降低铜与聚二甲基硅氧烷之间的界面热阻。
59.实施例4
60.首先，将直径5cm的铜板浸入1mol/l盐酸中去除氧化层，干燥去除水分后备用；然后，将1g离子液体1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐滴在铜板表面，进行旋涂；随后，将5g聚二甲基硅氧烷滴在旋涂后的铜板表面，再进行旋涂，最后放置在真空干燥箱120℃加热2小时，进行固化。
61.上述制备的复合材料中，电声耦合材料2为离子液体1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐。通过将电声耦合材料2旋涂在金属材料1表面，二者以范德华力形式相连。
62.实施例5
63.首先，室温环境下，将50g铜粉浸泡在30ml、1mol/l盐酸中10min，去除表面氧化层；然后，向溶液中倒入5g聚吡咯，搅拌10分钟；然后取出聚吡咯与铜粉的混合物，进行烘干去除水分；将烘干后的混合物加入10g聚二甲基硅氧烷中充分搅拌10分钟，放置于真空干燥箱中抽真空30分钟后，120℃加热2小时，进行固化。
64.上述制备的材料中，电声耦合材料2为聚吡咯，与实施例三不同之处为：聚吡咯与有机材料3化学成分接近，与有机材料3形成共价键。

技术特征：
1.一种强化金属材料与有机材料界面传热的方法，包括如下步骤：在金属材料和有机材料界面处引入一层电声耦合材料。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属材料与有机材料以平面形式相连；或，所述金属材料分散在有机材料基质中。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述电声耦合材料为导电性能介于金属材料与有机材料之间的材料，包括导电聚合物、离子液体或液态金属；所述金属材料为铝、铜、铁、镍纯金属及其合金中的一种；所述有机材料为高分子聚合物或硅油。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述导电聚合物为主链具有共轭主电子体系，可通过掺杂达到导电态的材料；具体可为聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯或聚双炔；所述离子液体由阳离子和阴离子构成；所述阳离子为季铵盐离子、季鏻盐离子或咪唑盐离子；所述阴离子为卤素离子、四氟硼酸根离子或六氟磷酸根离子；所述液态金属为熔点在室温的纯金属或合金；具体可为镓、镓铟、镓铟锡、镓铟锡锌、铟、铟锡、铋铟锡或铋铟锡铅。5.根据权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于：所述金属材料和所述电声耦合材料以金属键、共价键或范德华力相连；所述电声耦合材料和所述有机材料以共价键、氢键或范德华力相连。6.根据权利要求1-5中任一项所述的方法，其特征在于：所述金属材料和所述电声耦合材料的连接方法为浸泡、旋涂、磁控溅射、高温腐蚀或电镀；所述电声耦合材料和所述有机材料的连接方法为浸泡、旋涂、磁控溅射、高温腐蚀或电镀。7.一种复合材料，包括依次连接的金属材料、电声耦合材料和有机材料。8.根据权利要求7所述的复合材料，其特征在于：所述金属材料与有机材料以平面形式相连；或，所述金属材料分散在有机材料基质中。9.根据权利要求7或8所述的复合材料，其特征在于：所述电声耦合材料为导电性能介于金属材料与有机材料之间的材料，包括导电聚合物、离子液体或液态金属；所述金属材料为铝、铜、铁、镍纯金属及其合金中的一种；所述有机材料为高分子聚合物或硅油；具体的，所述导电聚合物为主链具有共轭主电子体系，可通过掺杂达到导电态的材料；更具体可为聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚苯胺、聚苯撑、聚苯撑乙烯或聚双炔；具体的，所述离子液体由阳离子和阴离子构成；所述阳离子为季铵盐离子、季鏻盐离子或咪唑盐离子；所述阴离子为卤素离子、四氟硼酸根离子或六氟磷酸根离子；具体的，所述液态金属为熔点在室温的纯金属或合金；更具体可为镓、镓铟、镓铟锡、镓铟锡锌、铟、铟锡、铋铟锡或铋铟锡铅。10.根据权利要求7-9中任一项所述的复合材料，其特征在于：所述金属材料和所述电声耦合材料以金属键、共价键或范德华力相连；
所述电声耦合材料和所述有机材料以共价键、氢键或范德华力相连；具体的，所述金属材料和所述电声耦合材料的连接方法可为浸泡、旋涂、磁控溅射、高温腐蚀或电镀；所述电声耦合材料和所述有机材料的连接方法可为浸泡、旋涂、磁控溅射、高温腐蚀或电镀。

技术总结
本发明公开了一种强化金属材料与有机材料界面传热的方法，属于强化传热领域。本发明的方法是将电声耦合材料用于金属/有机界面处，作为连接电子与声子导热的桥梁，其中金属材料与电声耦合材料之间以电子导热为主，有机材料与电声耦合材料之间以声子导热为主，强化电子-声子界面热输运，实现金属/有机界面强化传热。本发明的方法有助于增强金属/有机界面传热性能，提高热界面材料、纳米流体、固液相变材料的性能。材料的性能。


技术研发人员：张旭东 曹炳阳
受保护的技术使用者：清华大学
技术研发日：2022.02.07
技术公布日：2022/5/25