鎵基液態金屬冷卻介質相容性研究

徐太棟，陳 楊，李潤林

(中國船舶集團有限公司第八研究院，南京 211153)

0 引 言

目前，相控陣雷達為了解決高熱流密度散熱問題普遍采用強迫液冷方式進行散熱。隨著氮化鎵類高熱流密度半導體器件的廣泛應用，核心器件熱流密度普遍達到了10～100 W/cm2，對強迫液冷進行優化的需求日益明顯。強迫液冷的優化主要集中在降低對流換熱熱阻方面，長期以來主要是通過增加對流換熱面積、加強擾動(破壞邊界層)以提高對流換熱系數等方面，而對于冷卻介質導熱率強化的研究相對較少。本文提出采用常溫下為液態的鎵基液態金屬作為相控陣雷達冷卻介質，其導熱率為常規冷卻液(如65號航空冷卻液)的數十倍，能夠大幅度降低對流換熱熱阻。但是，鎵基液態金屬與常見相控陣雷達結構材料的相容性研究目前較少。本文針對鎵基液態金屬與常見金屬材料設計了相容性研究試驗，以給出相控陣雷達液態金屬冷卻系統設計的選材與表面處理方法。

1 物理性質

純鎵有著銀白色的金屬光澤，目前廣泛應用于各種化合物中。相控陣雷達中的砷化鎵或氮化鎵均以該金屬為原材料。標準大氣壓下，純鎵的熔點僅有29.8 ℃。目前，在散熱領域，進一步降低鎵基物質的熔點一般是通過將鎵與其他金屬形成合金來實現的，一般是鎵、銦、錫、鋅等元素的幾種組合合金。文獻中最為常見的鎵基低熔點合金如Galinstan合金(Ga66In20.5Sn13.5)，其物性參數如表1所示。

表1 Galinstan合金物性參數

Galinstan是一種銀色合金，無味、不可燃、不易爆、不自燃且沒有助燃性，在水及有機溶劑中均不可溶。個別文獻認為它的熔點為-20 ℃(本文經廣泛查閱資料后認為-20 ℃呈液態是指該合金處于過冷態)[1]。在大部分文獻中認為該合金的熔點為8 ℃[2]，本文認為該數據較為合理，與實測結果相符。Galinstan沸點約為2 300 ℃。很明顯，液態Galinstan擁有非常廣泛的液態溫度區間，在作為相控陣雷達傳熱介質使用時可以避免局部蒸發、氣液兩相流動狀態的出現。

常見固體金屬及其合金在鎵基液態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金屬對固體金屬的腐蝕。長期以來，液態金屬冷卻主要使用在核能等高溫介質管路中，因此對高溫下的溶解腐蝕有較多研究。研究表明，鐵、鎳、鉻、鋁在400 ℃時在鎵中溶解擴散迅速[3]。但是，截止到目前，對100 ℃以下鎵基液態金屬的溶解腐蝕研究較少。本文重點關注鎵基液態金屬在相控陣雷達電子設備散熱領域的使用，主要研究論述100 ℃以下固體金屬元素在鎵基液態金屬中的溶解腐蝕。

2 相容性分析

已有資料表明，鎵對玻璃、塑料、石英、石墨、碳化硅、氮化鋁等常見非金屬材料沒有腐蝕性[4]，但對部分金屬具有腐蝕性。厚為2 mm的鋁板若浸沒在鎵中，數小時后鋁板就會發生脆化、彎曲等現象。在固態與液態金屬交界面的位置，由于濃度梯度而驅動的金屬元素之間的質量遷移是液態金屬對金屬材料產生腐蝕的主要因素。根據質量遷移的方向不同，金屬的腐蝕機理主要分為被腐蝕固態金屬在鎵基液態金屬中的溶解和鎵基液態金屬原子到固態金屬晶格中的擴散。[5]鎵基液態金屬與固態金屬之間的相互作用是上述兩種作用的綜合結果。

在軍用電子設備使用環境下(環境溫度≤70 ℃，器件殼溫≤90 ℃)，典型的散熱結構材料(銅、鎳、鐵等)在鎵基液態金屬中的飽和濃度極低，溶解度均低于0.1%。結合材料的溶解度，過流的金屬管內壁物質腐蝕深度最大值可由下式計算：

(1)

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

對鎵基液態金屬腐蝕進度進行精確量化分析的關鍵是定量描述液態金屬向固態金屬中的擴散程度。本文對表面導電氧化、陽極氧化以及無表面處理的鋁合金設計了腐蝕進度量化分析試驗，以說明鎵基液態金屬對鋁合金材料的腐蝕作用。采用移液槍將0.3 ml鎵基液態金屬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拍攝實驗開始后液球的變化圖像。經MATLAB圖像處理，計算液球的實時面積，通過液球面積的變化可以反映出鎵基液態金屬對試板的腐蝕進度。定義腐蝕進度為

(2)

式中，S0為初始時鎵基液球面積，S(t)為試驗進行過程中t時鎵基液球面積。該腐蝕進度在一定程度上代表了鎵基液球通過腐蝕進入試板的進度，如圖1所示。

圖1 鎵基液球對3種試板的腐蝕進度曲線

如圖1所示，鎵基液球對3種試板的腐蝕進度可以看出：

(1) 鎵基液球對鋁合金本體材料試板與導電氧化鋁合金試板的腐蝕都存在達到一定時間后腐蝕速率突然增大的情況。在腐蝕進度達到10%以后的4～6 h之內，液球就通過溶解擴散方式完全進入試板中。無論是鋁合金本體材料表面的自然氧化層還是人工導電氧化層，都只能延緩試驗開始初期鎵基液球對材料的腐蝕。當保護層被破壞后，鎵基液球與鋁合金本體材料完全接觸，在劇烈的反應下快速擴散至試板內部，導電氧化層的延緩時間相對自然氧化層更長。

(2) 從腐蝕進度試驗結果來看，相同的試驗時間內鎵基液球對表面陽極氧化的鋁合金試板未呈現出明顯的腐蝕進度。

3 浸泡試驗

相控陣雷達冷卻系統中冷卻介質與管路部件大面積、長時間接觸。相對鎵基液球腐蝕進度試驗而言，冷卻介質與結構件之間相互作用面積更大、時間更長。因此，本文進一步設計了金屬材料在鎵基液態金屬中的浸泡試驗。

3.1 金屬本體材料浸泡試驗

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

試驗開始2 h后無表面處理5A05試板與鎵銦錫三元合金出現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。72 h后，5A05鋁合金本體試板整體出現了明顯的翹曲變形，觸碰鋁板進入到鎵基液態金屬的部分時有明顯的鋁屑脫落，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完全進入鎵基液態金屬中，完全看不出原有試板的形狀，并且鎵基液態金屬由流動性很高的流體變為混雜著固態鋁合金碎屑的膏狀混合物。不銹鋼試板、純銅試板沒有腐蝕、變形等變化，容器內三元合金液體也未發生性狀變化。

3.2 導電氧化與陽極氧化鋁合金試板浸泡試驗

導電氧化與陽極氧化是保護鋁合金材料免受腐蝕的兩種常用手段。針對上述兩種表面處理方法，本文進行了導電氧化與陽極氧化鋁合金試板的浸泡觀察試驗。

圖2 鋁合金本體材料試板浸泡試驗

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

綜上所述，幾種試板的浸泡試驗表現見表2。

表2 試板與鎵基液態金屬浸泡試驗

從實驗結果可以看出，不銹鋼與銅材料并未觀察到被鎵基液態金屬腐蝕，這與相容性分析中腐蝕深度計算預期相吻合；陽極氧化很好地保護了鋁合金材料的完整性，在長達5 000 h、大面積接觸的浸泡試驗中，經表面陽極氧化的鋁合金試板并未表現出被鎵基液態金屬腐蝕；在浸泡試驗中，導電氧化相對鋁合金材料的保護僅起到了延緩的作用，在長時間、大面積接觸鎵基液態金屬后表面導電氧化處理的鋁合金試板依然會被完全腐蝕、分解，這與鎵基液球相容性分析所呈現的規律相吻合。

4 結束語

綜上所述，本文通過研究鎵基液態金屬的相容性研究，可以明確：

(1) 鎵基液態金屬對不銹鋼、純銅沒有明顯腐蝕，不銹鋼與純銅可作為鎵基液態金屬的過流部件；

(2) 鎵基液態金屬對鋁合金本體材料腐蝕劇烈，短時間內可使鋁合金本體材料喪失機械結構性能；

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

(4) 表面陽極氧化可以保護鋁合金長時間不受鎵基液態金屬腐蝕，鋁合金作為鎵基液態金屬過流部件時應采用表面陽極氧化作為防護工藝。

本文提高相控陣雷達散熱能力主要是從采用新型冷卻介質入手的，主要工作內容包括鎵基液態金屬相容性分析與試驗。通過以上工作，說明了鎵基液態金屬作為冷卻介質使用時需要注意的選材與表面防護事項，為鎵基液態金屬在相控陣雷達冷卻系統中的使用提供了技術參考。