鎵基液態(tài)金屬冷卻介質(zhì)相容性研究

徐太棟，陳 楊，李潤(rùn)林

(中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

目前，相控陣?yán)走_(dá)為了解決高熱流密度散熱問(wèn)題普遍采用強(qiáng)迫液冷方式進(jìn)行散熱。隨著氮化鎵類高熱流密度半導(dǎo)體器件的廣泛應(yīng)用，核心器件熱流密度普遍達(dá)到了10～100 W/cm2，對(duì)強(qiáng)迫液冷進(jìn)行優(yōu)化的需求日益明顯。強(qiáng)迫液冷的優(yōu)化主要集中在降低對(duì)流換熱熱阻方面，長(zhǎng)期以來(lái)主要是通過(guò)增加對(duì)流換熱面積、加強(qiáng)擾動(dòng)(破壞邊界層)以提高對(duì)流換熱系數(shù)等方面，而對(duì)于冷卻介質(zhì)導(dǎo)熱率強(qiáng)化的研究相對(duì)較少。本文提出采用常溫下為液態(tài)的鎵基液態(tài)金屬作為相控陣?yán)走_(dá)冷卻介質(zhì)，其導(dǎo)熱率為常規(guī)冷卻液(如65號(hào)航空冷卻液)的數(shù)十倍，能夠大幅度降低對(duì)流換熱熱阻。但是，鎵基液態(tài)金屬與常見(jiàn)相控陣?yán)走_(dá)結(jié)構(gòu)材料的相容性研究目前較少。本文針對(duì)鎵基液態(tài)金屬與常見(jiàn)金屬材料設(shè)計(jì)了相容性研究試驗(yàn)，以給出相控陣?yán)走_(dá)液態(tài)金屬冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的選材與表面處理方法。

1 物理性質(zhì)

純鎵有著銀白色的金屬光澤，目前廣泛應(yīng)用于各種化合物中。相控陣?yán)走_(dá)中的砷化鎵或氮化鎵均以該金屬為原材料。標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，純鎵的熔點(diǎn)僅有29.8 ℃。目前，在散熱領(lǐng)域，進(jìn)一步降低鎵基物質(zhì)的熔點(diǎn)一般是通過(guò)將鎵與其他金屬形成合金來(lái)實(shí)現(xiàn)的，一般是鎵、銦、錫、鋅等元素的幾種組合合金。文獻(xiàn)中最為常見(jiàn)的鎵基低熔點(diǎn)合金如Galinstan合金(Ga66In20.5Sn13.5)，其物性參數(shù)如表1所示。

表1 Galinstan合金物性參數(shù)

Galinstan是一種銀色合金，無(wú)味、不可燃、不易爆、不自燃且沒(méi)有助燃性，在水及有機(jī)溶劑中均不可溶。個(gè)別文獻(xiàn)認(rèn)為它的熔點(diǎn)為-20 ℃(本文經(jīng)廣泛查閱資料后認(rèn)為-20 ℃呈液態(tài)是指該合金處于過(guò)冷態(tài))[1]。在大部分文獻(xiàn)中認(rèn)為該合金的熔點(diǎn)為8 ℃[2]，本文認(rèn)為該數(shù)據(jù)較為合理，與實(shí)測(cè)結(jié)果相符。Galinstan沸點(diǎn)約為2 300 ℃。很明顯，液態(tài)Galinstan擁有非常廣泛的液態(tài)溫度區(qū)間，在作為相控陣?yán)走_(dá)傳熱介質(zhì)使用時(shí)可以避免局部蒸發(fā)、氣液兩相流動(dòng)狀態(tài)的出現(xiàn)。

常見(jiàn)固體金屬及其合金在鎵基液態(tài)金屬中的溶解度不同，并且隨著溫度的變化而變化，溶解度直接影響了鎵基液態(tài)金屬對(duì)固體金屬的腐蝕。長(zhǎng)期以來(lái)，液態(tài)金屬冷卻主要使用在核能等高溫介質(zhì)管路中，因此對(duì)高溫下的溶解腐蝕有較多研究。研究表明，鐵、鎳、鉻、鋁在400 ℃時(shí)在鎵中溶解擴(kuò)散迅速[3]。但是，截止到目前，對(duì)100 ℃以下鎵基液態(tài)金屬的溶解腐蝕研究較少。本文重點(diǎn)關(guān)注鎵基液態(tài)金屬在相控陣?yán)走_(dá)電子設(shè)備散熱領(lǐng)域的使用，主要研究論述100 ℃以下固體金屬元素在鎵基液態(tài)金屬中的溶解腐蝕。

2 相容性分析

已有資料表明，鎵對(duì)玻璃、塑料、石英、石墨、碳化硅、氮化鋁等常見(jiàn)非金屬材料沒(méi)有腐蝕性[4]，但對(duì)部分金屬具有腐蝕性。厚為2 mm的鋁板若浸沒(méi)在鎵中，數(shù)小時(shí)后鋁板就會(huì)發(fā)生脆化、彎曲等現(xiàn)象。在固態(tài)與液態(tài)金屬交界面的位置，由于濃度梯度而驅(qū)動(dòng)的金屬元素之間的質(zhì)量遷移是液態(tài)金屬對(duì)金屬材料產(chǎn)生腐蝕的主要因素。根據(jù)質(zhì)量遷移的方向不同，金屬的腐蝕機(jī)理主要分為被腐蝕固態(tài)金屬在鎵基液態(tài)金屬中的溶解和鎵基液態(tài)金屬原子到固態(tài)金屬晶格中的擴(kuò)散。[5]鎵基液態(tài)金屬與固態(tài)金屬之間的相互作用是上述兩種作用的綜合結(jié)果。

在軍用電子設(shè)備使用環(huán)境下(環(huán)境溫度≤70 ℃，器件殼溫≤90 ℃)，典型的散熱結(jié)構(gòu)材料(銅、鎳、鐵等)在鎵基液態(tài)金屬中的飽和濃度極低，溶解度均低于0.1%。結(jié)合材料的溶解度，過(guò)流的金屬管內(nèi)壁物質(zhì)腐蝕深度最大值可由下式計(jì)算：

(1)

式中，Dmax為管壁被腐蝕最大深度，Cmax為固態(tài)金屬材料在鎵基液態(tài)金屬中的溶解度，V為管路系統(tǒng)中鎵基液態(tài)金屬的總體積，ρ為鎵基液態(tài)金屬的密度，A為固液交界面積。從式(1)可知，當(dāng)固態(tài)金屬在鎵基液態(tài)金屬中的溶解度越大，系統(tǒng)中液態(tài)金屬介質(zhì)越多，則固體材料被腐蝕地越嚴(yán)重。對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)常用散熱系統(tǒng)中溶解度低于0.1%的銅、鐵等材料，由式(1)計(jì)算所得的腐蝕深度一般在20 μm量級(jí)以下，遠(yuǎn)小于常用管壁厚度1 000 μm。所以，銅、鐵等材料理論上可以與鎵基液態(tài)金屬共用。常溫下鋁元素在鎵基液態(tài)金屬中的溶解度遠(yuǎn)大于0.1%，被腐蝕深度就遠(yuǎn)大于銅鐵鎳等材料。

對(duì)鎵基液態(tài)金屬腐蝕進(jìn)度進(jìn)行精確量化分析的關(guān)鍵是定量描述液態(tài)金屬向固態(tài)金屬中的擴(kuò)散程度。本文對(duì)表面導(dǎo)電氧化、陽(yáng)極氧化以及無(wú)表面處理的鋁合金設(shè)計(jì)了腐蝕進(jìn)度量化分析試驗(yàn)，以說(shuō)明鎵基液態(tài)金屬對(duì)鋁合金材料的腐蝕作用。采用移液槍將0.3 ml鎵基液態(tài)金屬Ga66In20.5Sn13.5滴到2 mm厚的3種鋁合金試板表面形成液球，利用高分辨率圖像采集系統(tǒng)拍攝實(shí)驗(yàn)開始后液球的變化圖像。經(jīng)MATLAB圖像處理，計(jì)算液球的實(shí)時(shí)面積，通過(guò)液球面積的變化可以反映出鎵基液態(tài)金屬對(duì)試板的腐蝕進(jìn)度。定義腐蝕進(jìn)度為

(2)

式中，S0為初始時(shí)鎵基液球面積，S(t)為試驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中t時(shí)鎵基液球面積。該腐蝕進(jìn)度在一定程度上代表了鎵基液球通過(guò)腐蝕進(jìn)入試板的進(jìn)度，如圖1所示。

圖1 鎵基液球?qū)?種試板的腐蝕進(jìn)度曲線

如圖1所示，鎵基液球?qū)?種試板的腐蝕進(jìn)度可以看出：

(1) 鎵基液球?qū)︿X合金本體材料試板與導(dǎo)電氧化鋁合金試板的腐蝕都存在達(dá)到一定時(shí)間后腐蝕速率突然增大的情況。在腐蝕進(jìn)度達(dá)到10%以后的4～6 h之內(nèi)，液球就通過(guò)溶解擴(kuò)散方式完全進(jìn)入試板中。無(wú)論是鋁合金本體材料表面的自然氧化層還是人工導(dǎo)電氧化層，都只能延緩試驗(yàn)開始初期鎵基液球?qū)Σ牧系母g。當(dāng)保護(hù)層被破壞后，鎵基液球與鋁合金本體材料完全接觸，在劇烈的反應(yīng)下快速擴(kuò)散至試板內(nèi)部，導(dǎo)電氧化層的延緩時(shí)間相對(duì)自然氧化層更長(zhǎng)。

(2) 從腐蝕進(jìn)度試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，相同的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)鎵基液球?qū)Ρ砻骊?yáng)極氧化的鋁合金試板未呈現(xiàn)出明顯的腐蝕進(jìn)度。

3 浸泡試驗(yàn)

相控陣?yán)走_(dá)冷卻系統(tǒng)中冷卻介質(zhì)與管路部件大面積、長(zhǎng)時(shí)間接觸。相對(duì)鎵基液球腐蝕進(jìn)度試驗(yàn)而言，冷卻介質(zhì)與結(jié)構(gòu)件之間相互作用面積更大、時(shí)間更長(zhǎng)。因此，本文進(jìn)一步設(shè)計(jì)了金屬材料在鎵基液態(tài)金屬中的浸泡試驗(yàn)。

3.1 金屬本體材料浸泡試驗(yàn)

將T2純銅、06Cr18Ni11Ti不銹鋼、5A05鋁合金3種本體材料試板采用無(wú)水酒精進(jìn)行擦拭，浸泡到鎵基三元合金Ga66In20.5Sn13.5中進(jìn)行觀察試驗(yàn)。

試驗(yàn)開始2 h后無(wú)表面處理5A05試板與鎵銦錫三元合金出現(xiàn)了明顯的相互作用情況，在三元合金液體表面生成了一層暗灰色粗糙狀物質(zhì)。72 h后，5A05鋁合金本體試板整體出現(xiàn)了明顯的翹曲變形，觸碰鋁板進(jìn)入到鎵基液態(tài)金屬的部分時(shí)有明顯的鋁屑脫落，可以觀察到鋁板的脆化效果。2 000 h后，鋁合金本體試板已經(jīng)完全進(jìn)入鎵基液態(tài)金屬中，完全看不出原有試板的形狀，并且鎵基液態(tài)金屬由流動(dòng)性很高的流體變?yōu)榛祀s著固態(tài)鋁合金碎屑的膏狀混合物。不銹鋼試板、純銅試板沒(méi)有腐蝕、變形等變化，容器內(nèi)三元合金液體也未發(fā)生性狀變化。

3.2 導(dǎo)電氧化與陽(yáng)極氧化鋁合金試板浸泡試驗(yàn)

導(dǎo)電氧化與陽(yáng)極氧化是保護(hù)鋁合金材料免受腐蝕的兩種常用手段。針對(duì)上述兩種表面處理方法，本文進(jìn)行了導(dǎo)電氧化與陽(yáng)極氧化鋁合金試板的浸泡觀察試驗(yàn)。

圖2 鋁合金本體材料試板浸泡試驗(yàn)

試驗(yàn)開始直至72 h，導(dǎo)電氧化鋁合金試板及鎵基液態(tài)金屬均未出現(xiàn)性狀變化，150 h后開始出現(xiàn)彎曲、脆化。至2 000 h后導(dǎo)電氧化鋁合金試板斷裂、“塌陷”至液態(tài)金屬中，但勉強(qiáng)能夠看出原有形狀。5 000 h后試板完全溶解。

綜上所述，幾種試板的浸泡試驗(yàn)表現(xiàn)見(jiàn)表2。

表2 試板與鎵基液態(tài)金屬浸泡試驗(yàn)

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，不銹鋼與銅材料并未觀察到被鎵基液態(tài)金屬腐蝕，這與相容性分析中腐蝕深度計(jì)算預(yù)期相吻合；陽(yáng)極氧化很好地保護(hù)了鋁合金材料的完整性，在長(zhǎng)達(dá)5 000 h、大面積接觸的浸泡試驗(yàn)中，經(jīng)表面陽(yáng)極氧化的鋁合金試板并未表現(xiàn)出被鎵基液態(tài)金屬腐蝕；在浸泡試驗(yàn)中，導(dǎo)電氧化相對(duì)鋁合金材料的保護(hù)僅起到了延緩的作用，在長(zhǎng)時(shí)間、大面積接觸鎵基液態(tài)金屬后表面導(dǎo)電氧化處理的鋁合金試板依然會(huì)被完全腐蝕、分解，這與鎵基液球相容性分析所呈現(xiàn)的規(guī)律相吻合。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文通過(guò)研究鎵基液態(tài)金屬的相容性研究，可以明確：

(1) 鎵基液態(tài)金屬對(duì)不銹鋼、純銅沒(méi)有明顯腐蝕，不銹鋼與純銅可作為鎵基液態(tài)金屬的過(guò)流部件；

(2) 鎵基液態(tài)金屬對(duì)鋁合金本體材料腐蝕劇烈，短時(shí)間內(nèi)可使鋁合金本體材料喪失機(jī)械結(jié)構(gòu)性能；

(3) 表面導(dǎo)電氧化可以延緩鎵基液態(tài)金屬與鋁合金的腐蝕，但是長(zhǎng)期使用時(shí)依然承受不住鎵基液態(tài)金屬的腐蝕，其腐蝕最終效果與鋁合金本體材料腐蝕效果相同；

(4) 表面陽(yáng)極氧化可以保護(hù)鋁合金長(zhǎng)時(shí)間不受鎵基液態(tài)金屬腐蝕，鋁合金作為鎵基液態(tài)金屬過(guò)流部件時(shí)應(yīng)采用表面陽(yáng)極氧化作為防護(hù)工藝。

本文提高相控陣?yán)走_(dá)散熱能力主要是從采用新型冷卻介質(zhì)入手的，主要工作內(nèi)容包括鎵基液態(tài)金屬相容性分析與試驗(yàn)。通過(guò)以上工作，說(shuō)明了鎵基液態(tài)金屬作為冷卻介質(zhì)使用時(shí)需要注意的選材與表面防護(hù)事項(xiàng)，為鎵基液態(tài)金屬在相控陣?yán)走_(dá)冷卻系統(tǒng)中的使用提供了技術(shù)參考。