背景介绍：

       随着人工智能和大数据产业迅猛发展，芯片功率持续升高，传统聚合物基热界面材料已难以满足高功率器件的散热需求。液态金属具备本征导热率高、相变温度可调等特性，BiInSn液态金属（相变温度为60℃）在室温下为固态、可施工性好，但其导热系数仅有20 W m^-1 K^-1，仅为纯铟的四分之一，且镓和铟的成本较高，因此开发低成本、高导热的液态金属相变片对于其在高端电子散热领域的规模化应用十分关键。

       鉴于此，苏州泰吉诺公司联合天津理工大学赵云峰教授团队近期在ACS Applied Engineering Materials上发表题为《高导热BiInSn液态金属/Al复合材料作为高性能热界面材料》的研究论文，以低成本、高导热的Al微颗粒为填料与BiInSn复合制备了相变金属片，并提出一种易操作的退火工艺，有效消除了Al与BiInSn的界面缺陷，复合金属片的导热系数由20W/mK提升至40W/mK，显著提升In基液态金属热界面材料的综合性能。

  研究成果：

       1、“退火+铝粉”双效协同，导热路径重构

       使用高导热填料掺杂是提升材料导热性能的一项有效手段，然而液态金属的高表面张力使得与填料浸润出现困难，内部出现大量空洞，影响材料的传热性能。本文通过将低成本微米铝粉掺入BiInSn液态金属基体，结合真空退火工艺（优化条件为52.5°C，10小时），成功消除界面孔隙，使铝颗粒之间形成连续高效的热传导网络。复合材料导热系数提升至 40.3 W·m⁻¹·K⁻¹，较纯BiInSn大幅提高 88.5%。

图1. (a-c)退火前BiInSn/Al-(25,15)复合材料内部截面SEM图像及内部截面EDS图像，红圈显示典型的Al颗粒与BiInSn基体间的空洞缺陷。(d-f) 非真空环境退火后BiInSn/Al-(25,15)复合材料内部截面SEM图像及内部截面EDS图像。(g-i) 真空环境退火后BiInSn/Al-(25, 15)的内部截面SEM图像及内部截面EDS图像。

图2. (a)不同铝颗粒尺寸的BiInSn/Al复合材料以及BiInSn/Al-(25,15)在50℃退火10小时后的热阻(TR)-压力曲线。(b) 固定退火时间10小时下，BiInSn/Al-(25,5)在不同退火温度下的热阻(TR)柱状图。(c) 固定退火温度52.5℃下BiInSn/Al-(25,5)在不同退火时间的热阻(TR)柱状图。(d) 最优退火条件下填充不同比例Al(25 μm)的BiInSn/Al热阻柱状图。(e) BiInSn/Al在不同退火环境下的热阻柱状图。(f) 采用激光闪光法(LFA)测定BiInSn、BiInSn/Al(25,15)及BiInSn/Al-H(25,15,52.5,10)的本征导热系数。

       2、 抗泄漏能力显著增强，适用温度窗口拓宽

       液态金属热界面材料可靠性、安全性是电子散热领域的一个重点，研究人员对复合材料的安全阈值进行了探索，铝粉在基体中构成支撑骨架，有效抑制液态金属高温流动，在压力泄漏测试中，100℃、9.3Psi压强和130℃、2.3Psi压强内未发生泄漏。同时复合材料凝固点降低，拓宽了固态安全工作的温度区间。

图3. BiInSn/Al抗泄漏测试。(a) 实验装置及示意图。(b) BiInSn样品与(c) BiInSn/Al-H(25,15,52.5,10)样品在70℃、1千克重压（2.27 Psi）下的泄漏行为。样品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)重压时的渗漏行为。样品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)重压时的渗漏行为。

       3、力学性能同步提升，提高界面传热性能

       研究发现退火后材料压缩强度提高约52%，显著改善了TIM在长期压合与热循环下的抗蠕变与抗泵出能力。此外，为阐明传热机制，研究人员对BiInSn/Al复合材料沿厚度方向的局部微观结构进行了有限元模拟。更直观的描述了复合材料内部传热机制。

图4. (a) 仿真结构示意图及热传递云图，(b) 典型样品的模拟温度-时间关系曲线。

       研究人员还使用LED (30 W) 模组对复合材料的热界面实际应用效果进行了测试，采用复合液态金属导热片可使LED模组温度降低30℃，性能高于商用硅脂。

图5. (a) 导热材料应用结构示意图及实际安装操作流程图。(b) 导热材料应用的有限元稳态模拟结果。(c) 不同导热材料实际应用效果的热成像图。(d) 不同导热材料LED导热芯的温度变化曲线。

       小结：

       苏州泰吉诺新材料科技有限公司高度重视热界面材料产品的原创研发及基础研究，已经与天津理工大学赵云峰教授团队在产品开发、人才培养等多维度开展多年校企合作，此次成果是泰吉诺热界面材料新产品研发的又一个缩影。该成果受天津市自然科学基金和常熟昆承英才项目支持，发表在美国化学会旗下SCI期刊ACS Applied Engineering Materials上。

       本成果从提高铟基液态金属的导热性及降低成本着手，通过高导热铝粉掺杂，获得了具有高导热性、可靠性的液态金属导热片，有效避免了液态金属溢出流淌，通过热退火的方式来改善液态金属/填料体系性能，研究成果对于开发下一代高性能热界面材料具有一定的可借鉴性。

论文信息：

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. （标黑为泰吉诺公司研发人员，*为论文通讯作者）