Введение
Жидкие металлы на основе галлия (Ga) становятся ключевыми материалами в области охлаждения высокомощной электроники благодаря своей исключительной электропроводности, теплопроводности и текучести. В системах теплового управления галлий и сплавы галлия с индием (In) могут служить в качестве теплопроводящих прокладок, заполняя зазоры между микросхемами и радиаторами для эффективного отвода тепла, генерируемого основными компонентами, такими как ЦП и графические процессоры. Это значительно снижает рабочие температуры и обеспечивает стабильную работу устройств. Эффективность отвода тепла у этих материалов значительно превосходит аналогичные показатели термопаст и термопрокладок. Кроме того, галлий и сплавы на его основе обладают чрезвычайно широким диапазоном температур в жидком состоянии (от температур ниже нуля до более 2000 °C) и теплопроводностью, значительно превосходящей теплопроводность воды, что делает их весьма перспективными конвективными охлаждающими средами для микросхем с высокой удельной мощностью, аэрокосмических применений и других областей.
Точное определение теплопроводности галлия и сплавов галлия с индием имеет решающее значение для обеспечения их безопасной и эффективной работы в критически важных системах терморегулирования. Метод лазерного анализа (LFA) позволяет не только измерять теплопроводность обычных твердых образцов, но и — при использовании соответствующих держателей образцов и выборе подходящих расчетных моделей — измерять тепловую диффузию специальных образцов, таких как жидкости, пасты и порошки, и на этой основе рассчитывать их теплопроводность. В данном приложении к руководству рассматривается метод, используемый в системе « NETZSCH » ( LFA 717 HyperFlash® ) для определения теплопроводности образцов чистого галлия и сплавов галлия с индием с использованием держателя для жидких образцов из PEEK.
Таблица 1: Условия измерения
| Образец | Чистый Ga GaIn (Ga75In25) GaInSn (Ga 68,5; In 21,5; Sn 10) |
| Температура | 30 °C, 60 °C, 90 °C, 120 °C |
| Держатель образца | Держатель образца из PEEK для жидкостей |
| Удельная теплоемкость | DSC 300 Caliris®Select |
| Атмосфера | N2 |
| Модель | 3 слоя + импульсная коррекция |
Результаты измерений
На рисунке 1 представлены результаты измерений тепловой диффузии, удельной теплоемкости (Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp) и теплопроводности образца чистого галлия в диапазоне температур от 30 °C до 120 °C. При 30 °C тепловая диффузия и теплопроводность образца составили 11,4 мм²/с и 26,6 Вт/(м·К) соответственно, что согласуется со значениями, приведёнными в литературе [1]. Как тепловая диффузия, так и теплопроводность увеличиваются с ростом температуры. Удельная теплоемкость (Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp) измерялась с помощью дифференциального сканирующего калориметра (ДСК) NETZSCH DSC 300 Caliris®Select . Следует отметить, что из-за агрессивной реакции между Ga и алюминием (Al) для измерения использовался платиновый (Pt) тигель с внутренним покрытием из Al₂O₃.
Держатель для жидких проб из PEEK построен по трехслойной схеме. После сборки жидкие образцы можно загружать в контейнер — состоящий из верхнего и нижнего дисков из нержавеющей стали и кольца из PEEK — путем впрыскивания, добавления капель или нанесения мазком (см. рис. 2). Этот специальный держатель для образцов можно использовать для испытаний таких образцов, как жидкости, жидкие металлы и пасты.
При использовании данного держателя для расчета коэффициента теплопроводности применяется трехслойная модель. На рисунке 3 показана кривая повышения температуры образца чистого галлия при 30 °C. Видно, что измеренная кривая (синяя) очень хорошо совпадает с кривой, построенной по модели (красная), что еще раз подтверждает достоверность и точность результатов испытаний, полученных с использованием держателя образцов из PEEK для жидкостей.
Температура плавления чистого галлия (Ga) составляет примерно 29,8 °C. При обычных комнатных условиях он находится в твёрдом состоянии и не может использоваться напрямую в качестве жидкого теплопроводящего материала или текучей рабочей жидкости. Добавление к галлию таких элементов, как индий (In) и олово (Sn), приводит к образованию эвтектических сплавов, которые значительно снижают температуру плавления. Например, коммерческий сплав Ga-In-Sn под названием «Галинстан» (Galinstan) имеет температуру плавления всего -19 °C. Это означает, что он остается в жидком состоянии в большинстве естественных условий окружающей среды, что значительно расширяет сферу его применения.
На рисунке 4 приведены результаты измерения теплопроводности чистого галлия и сплавов GaIn (Ga75In25) и GaInSn (Ga68,5In21,5Sn10), испытанных с использованием держателя для жидких образцов из PEEK в диапазоне температур от 30 °C до 120 °C. Очевидно, что легирование галлия индием и оловом приводит к снижению теплопроводности. Добавление индия и олова вводит дополнительные центры рассеяния свободных электронов в жидком галлии, сокращая среднюю длину свободного пробега электронов и снижая теплопроводность, поскольку перенос тепла в жидких металлах на основе галлия осуществляется преимущественно свободными электронами [2]. Состав сплава (включая содержание In и Sn) существенно влияет на теплопроводность, а точное измерение теплопроводности служит основой для скрининга и оптимизации рецептуры жидких металлов на основе галлия.
Резюме
Жидкие металлы на основе галлия могут течь, как вода, обладая при этом превосходной теплопроводностью и стабильностью, что открывает перед ними огромные перспективы в области отвода тепла. NETZSCH LFA 717 HyperFlash® в сочетании со специальным держателем образцов из PEEK для жидкостей и с использованием специальной трёхслойной расчётной модели позволяет точно измерить теплопроводность жидких металлов на основе галлия. Это очень важно для точной оценки теплоотводящих способностей жидких металлов и дальнейшего предоставления эффективных и надёжных решений в области терморегулирования.