背景介紹：

       隨著人工智能和大數據產業迅猛發展，芯片功率持續升高，傳統聚合物基熱界面材料已難以滿足高功率器件的散熱需求。液態金屬具備本征導熱率高、相變溫度可調等特性，BiInSn液態金屬（相變溫度為60℃）在室溫下為固態、可施工性好，但其導熱系數僅有20 W m^-1 K^-1，僅為純銦的四分之一，且鎵和銦的成本較高，因此開發低成本、高導熱的液態金屬相變片對于其在高端電子散熱領域的規模化應用十分關鍵。

       鑒于此，蘇州泰吉諾公司聯合天津理工大學趙云峰教授團隊近期在ACS Applied Engineering Materials上發表題為《高導熱BiInSn液態金屬/Al復合材料作為高性能熱界面材料》的研究論文，以低成本、高導熱的Al微顆粒為填料與BiInSn復合制備了相變金屬片，并提出一種易操作的退火工藝，有效消除了Al與BiInSn的界面缺陷，復合金屬片的導熱系數由20W/mK提升至40W/mK，顯著提升In基液態金屬熱界面材料的綜合性能。

  研究成果：

       1、“退火+鋁粉”雙效協同，導熱路徑重構

       使用高導熱填料摻雜是提升材料導熱性能的一項有效手段，然而液態金屬的高表面張力使得與填料浸潤出現困難，內部出現大量空洞，影響材料的傳熱性能。本文通過將低成本微米鋁粉摻入BiInSn液態金屬基體，結合真空退火工藝（優化條件為52.5°C，10小時），成功消除界面孔隙，使鋁顆粒之間形成連續高效的熱傳導網絡。復合材料導熱系數提升至 40.3 W·m?¹·K?¹，較純BiInSn大幅提高 88.5%。

圖1. (a-c)退火前BiInSn/Al-(25,15)復合材料內部截面SEM圖像及內部截面EDS圖像，紅圈顯示典型的Al顆粒與BiInSn基體間的空洞缺陷。(d-f) 非真空環境退火后BiInSn/Al-(25,15)復合材料內部截面SEM圖像及內部截面EDS圖像。(g-i) 真空環境退火后BiInSn/Al-(25, 15)的內部截面SEM圖像及內部截面EDS圖像。

圖2. (a)不同鋁顆粒尺寸的BiInSn/Al復合材料以及BiInSn/Al-(25,15)在50℃退火10小時后的熱阻(TR)-壓力曲線。(b) 固定退火時間10小時下，BiInSn/Al-(25,5)在不同退火溫度下的熱阻(TR)柱狀圖。(c) 固定退火溫度52.5℃下BiInSn/Al-(25,5)在不同退火時間的熱阻(TR)柱狀圖。(d) 最優退火條件下填充不同比例Al(25 μm)的BiInSn/Al熱阻柱狀圖。(e) BiInSn/Al在不同退火環境下的熱阻柱狀圖。(f) 采用激光閃光法(LFA)測定BiInSn、BiInSn/Al(25,15)及BiInSn/Al-H(25,15,52.5,10)的本征導熱系數。

       2、 抗泄漏能力顯著增強，適用溫度窗口拓寬

       液態金屬熱界面材料可靠性、安全性是電子散熱領域的一個重點，研究人員對復合材料的安全閾值進行了探索，鋁粉在基體中構成支撐骨架，有效抑制液態金屬高溫流動，在壓力泄漏測試中，100℃、9.3Psi壓強和130℃、2.3Psi壓強內未發生泄漏。同時復合材料凝固點降低，拓寬了固態安全工作的溫度區間。

圖3. BiInSn/Al抗泄漏測試。(a) 實驗裝置及示意圖。(b) BiInSn樣品與(c) BiInSn/Al-H(25,15,52.5,10)樣品在70℃、1千克重壓（2.27 Psi）下的泄漏行為。樣品BiInSn/Al-H(25,15,52.5,10)在100℃下承受(d) 4千克(9.1Psi)及(e) 5千克(11.4 Psi)重壓時的滲漏行為。樣品BiInSn/Al-H(25,15,52.5,10)在130℃下承受(f) 1千克(2.3 Psi)和(g) 2千克(4.6 Psi)重壓時的滲漏行為。

       3、力學性能同步提升，提高界面傳熱性能

       研究發現退火后材料壓縮強度提高約52%，顯著改善了TIM在長期壓合與熱循環下的抗蠕變與抗泵出能力。此外，為闡明傳熱機制，研究人員對BiInSn/Al復合材料沿厚度方向的局部微觀結構進行了有限元模擬。更直觀的描述了復合材料內部傳熱機制。

圖4. (a) 仿真結構示意圖及熱傳遞云圖，(b) 典型樣品的模擬溫度-時間關系曲線。

       研究人員還使用LED (30 W) 模組對復合材料的熱界面實際應用效果進行了測試，采用復合液態金屬導熱片可使LED模組溫度降低30℃，性能高于商用硅脂。

圖5. (a) 導熱材料應用結構示意圖及實際安裝操作流程圖。(b) 導熱材料應用的有限元穩態模擬結果。(c) 不同導熱材料實際應用效果的熱成像圖。(d) 不同導熱材料LED導熱芯的溫度變化曲線。

       小結：

       蘇州泰吉諾新材料科技有限公司高度重視熱界面材料產品的原創研發及基礎研究，已經與天津理工大學趙云峰教授團隊在產品開發、人才培養等多維度開展多年校企合作，此次成果是泰吉諾熱界面材料新產品研發的又一個縮影。該成果受天津市自然科學基金和常熟昆承英才項目支持，發表在美國化學會旗下SCI期刊ACS Applied Engineering Materials上。

       本成果從提高銦基液態金屬的導熱性及降低成本著手，通過高導熱鋁粉摻雜，獲得了具有高導熱性、可靠性的液態金屬導熱片，有效避免了液態金屬溢出流淌，通過熱退火的方式來改善液態金屬/填料體系性能，研究成果對于開發下一代高性能熱界面材料具有一定的可借鑒性。

論文信息：

Wenqiang Gong, Yanli Chen*, Yang Li, Kai Zhang, Bing Han, Qibo Deng, Zhaoqiang Li*, Yunfeng Zhao*.
High Thermal Conductivity BiInSn Liquid Metal/Al Composite as High-Performance Thermal Interface Materials, ACS Applied Engineering Materials, 2025, DOI: 10.1021/acsaenm.5c00736. （標黑為泰吉諾公司研發人員，*為論文通訊作者）