液态金属在消费电子热管理产业的应用

液态金属是近年来备受关注的一大类高性能热管理材料，基于液态金属的一系列变革性热管理技术，包括液态金属对流冷却、热界面材料、相变热控等，它打破了传统冷却技术的性能极限，给大量面临“热障”难题的器件和装备的冷却带来了全新的解决方案。随着越来越多学术界和产业界人士的加入，液态金属热管理技术日益成熟，其工业和商业规模化应用迎来了最好的历史机遇点，建立完备的液态金属热管理技术产业链迫在眉睫。

消费电子是指供日常消费者生活使用的电子产品，广泛出现在人们日常生产生活和衣食住行的方方面面，是推动人类社会正常运行和进一步发展的重要工具。几乎所有的电子设备在运行过程中都会不可避免地产生热量，如果这些热量不能被及时散出，将会对电子设备的性能带来不利影响，严重的甚至会造成安全事故。

近年来，随着电子工业的快速发展，随着电子工业和半导体行业的迅猛发展，各类电子芯片不断向小型化发展，集成度越来越高。同时，芯片功能的增加和性能的增强要求进一步提升其计算频率，相应的芯片功耗也越来越大，“摩尔定律”下高性能芯片“热障”难题日益凸显（图3.2）。可以毫不夸张地说，先进的热管理技术已经成为保障电子设备安全高效运行的关键技术。

图3.2　“摩尔定律”下单个芯片晶体管数量的发展

将液态金属先进热管理技术应用到消费电子领域无疑会极大地推动消费电子产品的高速发展，为其安全高效运行提供可靠舒适的热环境。如下针对液态金属在消费电子热管理领域的应用展开讨论，并试图建立其对应的产业链结构，以期推动相关产业和商业应用模式的建立健全和快速发展。

图3.3展示了液态金属消费电子热管理产业链结构示意图。

图3.3　液态金属消费电子热管理产业链

液态金属消费电子热管理产业链主要包含五个环节：①金属原材料的开采与提炼；②液态金属材料的研制与生产；③液态金属热管理技术的研发与制造；④消费电子热管理市场；⑤液态金属回收与再利用。下面将分别对这五个环节进行说明，其中重点放在第②和第③环节。

（1）液态金属原材料的开采与提炼

在消费电子领域，使用的液态金属主要是镓基和铋基合金，相关的金属原材料主要包括：镓Ga、铋Bi、铟In、锡Sn、锌Zn、铝Al。金属原材料的开采与提炼主要的任务包括：①勘探原材料矿藏；②建成完善的配套开采设备；③建设完整的金属提炼生产线。

（2）液态金属热管理材料的研制与生产

在得到满足纯度要求的金属原材料之后，即可根据需要配制相应的液态金属。常见的用于消费电子热管理领域的液态金属有：镓Ga、镓铟合金GaIn、镓铟锡合金GaInSn、铋铟锡合金BiInSn等。根据使用场合的不同，可以配置不同比例的液态金属材料，相应材料的物性（主要包括密度、熔点、热导率、比热、潜热）也有所不同。

液态金属材料的研制与生产任务主要包括：①建立完备的金属材料熔炼与合成制造平台，拥有配制熔点在200℃以内的液态金属合金的能力；②建立液态金属物性测试平台并获得液态金属材料物性数据库，可以全面测试液态金属的主要物性数据，包括相变温度、潜热、比热、热导率、密度、体积膨胀系数、蒸发压力、黏度、表面张力、电导率等；③研发新型的液态金属材料，扩展目前液态金属材料的温度区间，增强液态金属材料的热物性质，如更高的潜热，更大的热导率和比热容等。

（3）液态金属热管理技术的研发与制造

液态金属热管理技术研发与制造主要涉及两方面，即热管理技术的研发和相应的装置或材料的生产制造。根据使用场合的不同，相应的液态金属热管理技术也各不相同，主要包括：①液态金属对流冷却技术；②液态金属热界面材料；③液态金属相变热控技术；④基于液态金属的复合热管理技术（图3.4）。(www.xing528.com)

图3.4　液态金属热管理技术及相应产品

液态金属对流冷却技术利用液态金属的对流流动带走热源热量并将其散失到周围环境，液态金属具有对流换热能力强、流动性好、可电磁驱动、冷却系统结构紧凑、工作稳定等优势，可用于集中大热流的高效扩展，消除局部热点效应。液态金属对流冷却技术主要的研发和生产任务包括：①选择合适的液态金属材料；②针对应用场合设计并制造相应的冷板和散热器；③搭建封闭的循环流动管路并采取良好的密封措施；④设计并制造复合驱动要求的微小型电磁泵；⑤针对所用的液态金属和结构材料，采取合适的防腐蚀处理。

液态金属热界面材料主要用于填充发热器件和散热器之间的硬接触界面，消除接触间隙并减小接触热阻。液态金属热界面材料拥有高出传统导热硅脂材料2个数量级的热导率，可以有效减小界面温差，特别是在极端大热流情形下具有显著优势。液态金属热界面材料的研制与生产任务主要包括：①选择合适的液态金属材料；②解决液态金属材料与热界面结构之间的相容性问题，采取合理的防腐蚀处理措施；③针对电绝缘要求，研制并生产高导热电绝缘的液态金属热界面材料。

液态金属（或称低熔点金属）相变热控技术主要利用金属固液相变过程来储存大量潜热热量，用于抑制间歇性或一次性发热热源的温度上升，具有结构紧凑、无额外能耗或能耗低、稳定性好等优势。液态金属相变热控技术的研发和生产任务主要包括：①针对使用场合，选择合适的液态金属材料；②设计并生产相应的封装结构和强化传热结构；③对结构材料采取合理的防腐蚀处理措施；④针对循环热控工况，设计并装备合理的二次散热器。

液态金属复合热管理技术是指将液态金属冷却技术与传统冷却技术相结合，充分发挥液态金属优异的吸热储热和热扩展能力，解决传统冷却系统中关键环节的传热瓶颈问题，实现优势互补，取长补短，从而实现高的性能和高的性价比。液态金属复合热管理技术的复合形式多种多样，主要包括材料复合、结构部件复合、系统复合等。发展新型的液态金属复合热管理技术对于进一步拓展液态金属热管理技术的内涵和应用具有重要意义。

（4）消费电子热管理市场

液态金属热管理技术面向的终端是消费电子，消费电子涉及的领域十分宽泛，应用形式多种多样，市场需求巨大。精准定位市场需求并做好市场开拓和推广工作对于液态金属热管理技术的应用至关重要。这里将主要的消费电子划分为四大类：移动/便携式电子设备、车载电子设备、家用电子设备和其他电子设备。

移动/便携式电子设备是人们生活中必不可少的工具，主要包括：手机、笔记本电脑、平板电脑、电子书阅读器、移动硬盘、U盘、数码相机和新型穿戴设备等（图3.5）。移动/便携式电子设备的主要特点在于体积小、重量轻、结构紧凑、功耗小、价格合理，相应的热管理技术也必定要求结构紧凑、质量轻便、性能稳定、功耗小、价格合理，这在相应的研发设计当中需要重点关注。

图3.5　液态金属用于移动设备温控

汽车、高铁、飞机等已经成为人们出行的常用交通工具，其中涉及大量的电子设备，主要包括：照明系统、视频/音频系统、电源/动力系统、中控系统等，针对这些电子设备提供高性能的液态金属热管理技术解决方案可以为车辆安全运行和提供高质量的服务提供坚实保障。

家用电子设备是每家每户都会购买的日常生活设备，主要包括：台式电脑、电视机、影碟机、照明设备和新型智能家居设备等。绝对的安全性和良好的运行稳定性对于家居设备尤为重要。此外，节能环保低功耗的家居电子产品也越来越受到广大用户的青睐。将液态金属热管理金属用于家用电子设备，让液态金属走进千家万户是液态金属产业发展的一个重要目标。

除此之外，在日常生产生活中，还有很多的电子产品在为我们的生活和工作提供服务，如通信基础设施（通信基站、数据中心等）、雷达/无线导航、商业/金融电子、各类仪器/仪表等。这些电子设备是保障我们生产生活的重要组成部分，将液态金属热管理技术用于这些电子设备将产生巨大的社会效益和经济效益。

（5）液态金属散热材料的回收与再利用

液态金属重要组成元素如镓、铟等的储量远不及铁、铝、铜等常用金属。要想实现液态金属长期可持续的大规模产业和商业应用，必须做好其回收与再利用工作。作为冷却工质，在保护得当的情况下，液态金属在使用过程中基本不会发生泄露、蒸发、变质和锈蚀等问题，且具有极好的循环稳定性，不会发生性质退变，这对其回收利用十分有利。多数消费电子产品均已具有比较成熟的回收方案，因此液态金属的回收工作可以很好地融入其中。对于低价回收的液态金属，可以送往液态金属材料研制工厂进行去杂质、提纯和再使用。

作为一类新兴的高性能热管理材料，液态金属在对流冷却、热界面材料、相变热控等领域均带来了技术上的革新，打破了传统冷却技术的性能极限，给大量面临“热障”问题的器件和装备的冷却带来了全新的解决方案。经过近20年的发展，我国在液态金属冷却领域已形成了相对完备的知识产权和技术体系，在材料制备、理论模型、数值分析、系统构建等方面有较为成熟的技术储备。完整的产业链结构和合理的材料循环使用方案是推进和保障液态金属消费电子热管理技术应用的有力措施，其策略和内涵有待在实际生产和运行中进一步改进和完善，也需要广大学界和产业界人士的大力推动和共同努力。