液态镓与6063铝合金腐蚀曲线分析及影响因素讨论

如图4-14，液态镓与6063铝合金静态接触的典型腐蚀曲线可以划分为以下4部分［1］：预腐蚀段、缓慢腐蚀段、剧烈腐蚀段及腐蚀结束段。

图4-14　6063铝合金典型腐蚀曲线分段

由于经打磨、清洗、干燥处理后的铝板表面会形成一层薄氧化层，因此预腐蚀段主要是铝氧化物在镓中的溶解以及两者之间的化学反应，使液态镓能够接触内部的铝材质。这段时间长短不定，与铝板的表面处理情况相关，若处理后表面与空气接触时间长，预腐蚀段时间可达数天甚至更长。在缓慢腐蚀段，随表面氧化物的溶解和反应，液态镓开始与铝接触形成腐蚀产物。但因为氧化层并未完全溶解，且液态镓表面张力较大，只与基底表面突起接触，直接腐蚀面积有限，因此腐蚀速率较小。随后在剧烈腐蚀段，由于表面氧化物及突起溶解反应殆尽，接触面积大，且镓与铝合金生成的腐蚀产物疏松，促进了镓与铝的进一步扩散接触，腐蚀速率大幅度提升，直至镓球完全浸入铝基底。最后的腐蚀结束段，腐蚀区内各处镓浓度趋向一致，表面的腐蚀阴影逐渐均匀。从中可以看出，镓对铝合金的腐蚀是典型的反应扩散过程。

图4-14中液态镓对6063铝合金的总腐蚀时间可定义为［1］：

其中，ttotal为腐蚀总时间，tpre为预腐蚀段时间，tslow为缓慢腐蚀段时间，trapid为剧烈腐蚀段时间，tend为腐蚀结束段时间。要使材料不被蚀穿，必须满足：(www.xing528.com)

其中，tInUse为设计使用年限。易知，tpre与表面处理情况相关，变化幅度较大；tslow一般较难改变；而trapid与合金组成元素相关。要满足（4-3）式，最经济有效的方法在于提高tpre。因此，表面处理为铝材质抗蚀处理方法首选。

截面能谱分析显示，液态镓对T2铜表面存在均匀腐蚀过程，其耐蚀等级为6～7级之间，属于尚耐蚀等级。因此，在温度不太高，且不考虑腐蚀产物对镓的污染的情况下，T2铜可以作为静态镓容器。但是，对于液态金属散热系统，流动的镓液一方面会强化腐蚀，另一方面会将松动的腐蚀产物冲刷带走，甚至还有可能因为脱落的腐蚀产物而堵塞流道。因此，T2铜并不适合作为液态金属芯片散热系统的结构材料。

对于经阳极氧化表面着色处理的6063铝合金，尽管在腐蚀结束后，将镓从基底上取下时存在少量粘连现象，但经洗涤液除油、清水清洗、干燥后，电镜观察无明显腐蚀迹象，能谱分析腐蚀表面及截面均检测不到镓元素的存在。说明经阳极氧化表面着色处理的铝表面具有相当强的抗腐蚀能力。但在流动的液态金属散热系统中，必须考虑密度很大的液态金属对表面氧化层的冲刷作用，且氧化层不能被划伤，以免镓从划伤处渗入。因此，在好的表面处理工艺，如：增加表面氧化层的厚度及强度，防止氧化层的局部破坏等的条件下，经阳极氧化表面着色处理的6063铝合金可以作为液态金属芯片散热系统的结构材料。同样，合适的表面处理方式，如表面镀层，喷漆等工艺，也可应用于T2铜，从而使T2铜也适用于液态金属芯片散热领域。

1Cr18Ni9不锈钢的腐蚀情况与阳极氧化表面着色处理6063Al铝合金相似，均检测不到腐蚀迹象。但1Cr18Ni9不锈钢体现为整体耐蚀性，不用担心表面被划伤或破坏。同时，其表面强度高，液态金属对其冲刷作用小，唯一缺点在于其导热性能稍逊一筹。综合考虑经济性和实用性，1Cr18Ni9不锈钢是实验中液态金属芯片散热系统的最耐蚀结构材料。

当然，关于各种特定液态金属与对应基底的腐蚀特性，取决于匹配材料之间的相容性，对此方面机理的深入认识和试验评估，是发展对应的抗腐蚀材料和技术乃至研制实用化液态金属散热系统的前提，进一步的知识也可参阅近期文献［20，21］。