專利名稱：含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液冷式散熱裝置所需使用的流體，特別涉及一種含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，作為熱導(dǎo)管(heat pipe)或具微流管的導(dǎo)熱模塊內(nèi)熱傳導(dǎo)流體的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
一般計(jì)算機(jī)、電子、電器、通訊及機(jī)械等產(chǎn)品，在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間之運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程后，會(huì)持續(xù)消耗電功率而產(chǎn)生熱能，該熱能對(duì)設(shè)備本身的穩(wěn)定及效能的影響相當(dāng)大，為了使電子產(chǎn)品之各項(xiàng)電子組件正常操作，必需確保該電子產(chǎn)品系在預(yù)設(shè)之溫度范圍內(nèi)操作，因此熱散功能乃是在設(shè)計(jì)各項(xiàng)電子產(chǎn)品時(shí)極為重要之課題之一。但是隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)不斷的創(chuàng)新改進(jìn)，使得產(chǎn)品之使用時(shí)間更長(zhǎng)，相對(duì)地也造成更多的熱能產(chǎn)生，并且隨著電子產(chǎn)品的尺寸越來(lái)越小，而使得熱能也越來(lái)越集中(即所謂的熱點(diǎn))，而傳統(tǒng)使用空氣冷卻(散熱片或是散熱風(fēng)扇)之單純散熱設(shè)計(jì)，除了具有增加產(chǎn)品的體積及衍生噪音等缺點(diǎn)外，亦無(wú)法有效地快速導(dǎo)出或分散熱能。
為解決上述問(wèn)題，業(yè)界提出使用熱管(heat pipe)或水冷式散熱裝置。一般來(lái)說(shuō)，系以純水作為冷卻液。然而，純水的熱傳導(dǎo)度不佳，隨著筆記型計(jì)算機(jī)之運(yùn)算速度加快及制程微小化的趨勢(shì)，需要藉添加高導(dǎo)熱材于流體中，以更高導(dǎo)熱效率的流體作為液冷式散熱裝置之導(dǎo)熱流體，提升整體系統(tǒng)散熱效能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明之目的在于提供一種包含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，以作為散熱裝置之冷卻液。憑借雜原子納米碳球高熱傳導(dǎo)度(大于1800W/mK)、高表面積及質(zhì)輕的性質(zhì)，增加冷卻液的熱傳導(dǎo)效率，進(jìn)而提升散熱裝置的散熱能力。此外，雜原子納米碳球之直徑小于100nm，且及易于分散于液體中，非常適用于具有微米流道(管徑約數(shù)個(gè)至數(shù)十個(gè)μm)之散熱裝置中。
為達(dá)上述目的，本發(fā)明所述之含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，包含流體，以及多個(gè)雜原子納米碳球分散于該流體中，其中該雜原子納米碳球之重量百分比介于0.01～10wt％，優(yōu)選介于0.05～4wt％，以該含雜原子納米碳球之溶液總重為基準(zhǔn)。
本案發(fā)明所用的雜原子納米碳球(Hetero-Nanocapsules)是一種摻雜雜原子的納米碳材，具有封閉的多層石墨層結(jié)構(gòu)外殼，該石墨層的組成以化學(xué)式C(D)x來(lái)表示，其中，C表示碳原子，具有sp2的混成軌道結(jié)構(gòu)，D可為氮、硼、磷或硫原子，與碳原子形成鍵結(jié)，x為0.0001至0.1的數(shù)字。此種具有雜原子之納米碳球可為中空形狀，或在內(nèi)部含有金屬或金屬化合物。
本發(fā)明所述之雜原子納米碳球可添加至習(xí)知任何液冷式散熱裝置或熱導(dǎo)管(heat pipe)所使用之導(dǎo)熱流體中，以形成本發(fā)明所述之包含雜原子納米碳球之溶液。在本發(fā)明之較佳實(shí)施例中，該導(dǎo)熱流體可為水、油或是有機(jī)溶液，例如醇類(lèi)、醚類(lèi)、酮類(lèi)、酸、堿、酯類(lèi)、或芳香族溶劑，像是水、甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、t-丁醇、t-戊醇、乙二醇、乙二醇單甲基醚、乙二醇單乙基醚、丙二醇單乙基醚、苯乙烯、醋酸乙酯、甲苯、二甲苯、甲乙酮、丙酮或其混合。
以下憑借數(shù)個(gè)實(shí)施例及比較實(shí)施例并配合附圖，以更進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明之方法、特征及優(yōu)點(diǎn)，但并非用來(lái)限制本發(fā)明之范圍，本發(fā)明之范圍應(yīng)以所附之申請(qǐng)專利范圍為準(zhǔn)。


圖1系顯示本發(fā)明一具體實(shí)施例之具有雜原子之納米碳球的外層結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2系顯示摻雜硼(B)之雜原子納米碳球在室溫下的電子自旋光譜(ESR)。
圖3系顯示本發(fā)明一具體實(shí)施例之摻雜氮(N)之雜原子納米碳球的高分辨率電子顯微鏡(HRSEM)照片。
圖4系顯示摻雜氮(N)之雜原子納米碳球與帶正電荷的氫離子反應(yīng)后，氫原子鍵結(jié)于多電子的N上而將電荷轉(zhuǎn)移到雜原子納米碳球上的N原子位置。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明所述之雜原子納米碳球?yàn)橐环N由封閉的多層石墨層結(jié)構(gòu)所組的多面體碳簇。納米碳球外殼的石墨層，中間部份都是六員環(huán)，而在邊角及轉(zhuǎn)折部份則有五員環(huán)組成，每一個(gè)碳原子皆為Sp2構(gòu)造。納米碳球的特殊層石墨結(jié)構(gòu)使其具有高的熱傳導(dǎo)性、導(dǎo)電性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。
該雜原子之納米碳球，其殼層為完整封閉的多面體結(jié)構(gòu)，這點(diǎn)與全碳的納米碳球相同，但在此雜原子納米碳球之多面體碳簇的外部石墨殼層中，部分的碳原子為氮、硼、磷、或硫等雜原子所取代，則有別于一般的納米碳球，如圖1所示。這使得原來(lái)純碳結(jié)構(gòu)的石墨殼層因氮、硼、磷、和/或硫等雜原子的存在，具有多電子或空穴的特性，而成為一種具雜原子特性的納米碳粒子，請(qǐng)參照?qǐng)D2，系顯示摻雜硼(B)之雜原子納米碳球在室溫下的電子自旋光譜(ESR)，從圖中可知，該摻雜硼之雜原子納米碳球帶有未成對(duì)電子(Lonepair)。
納米碳球石墨層上有少量的碳被氮、硼、磷和/或硫所取代，并不致改變石墨的六員環(huán)或五員環(huán)結(jié)構(gòu)，其上每個(gè)原子(包括摻雜的雜原子)仍為sp2混成軌道構(gòu)造，仍具有類(lèi)石墨的特性與許多未飽和雙鍵的構(gòu)造。由于N或B原子較會(huì)傾向sp3的構(gòu)形，因此，雜原子出現(xiàn)在納米碳球石墨殼層會(huì)導(dǎo)致石墨層間的熱傳導(dǎo)與電子傳遞的能力較純碳的石墨層高。請(qǐng)參照?qǐng)D3，系為雜原子納米碳球的高分辨率電子顯微鏡(HRSEM)照片。
本發(fā)明之特征之一在于，利用雜原子納米碳球石墨層上摻雜了氮、磷、硼或硫之多電子或缺電子的特性，使其對(duì)極性溶液(水相)有較佳親和力，使其得以分散溶于溶液中。此外，憑借氮、磷、硼或硫等雜原子的反應(yīng)性，可鍵結(jié)(或配位鍵結(jié))氫原子、烷基、烷氧基、鹵素、氫氧基、氨基、金屬原子或有機(jī)金屬絡(luò)合物，使其帶電荷后而更增加對(duì)溶液的分散性。在雜原子上的鍵結(jié)與一般官能基化修飾的不同點(diǎn)在于雜原子鍵結(jié)時(shí)會(huì)變?yōu)镾P3構(gòu)形，并不破壞石墨層的完整；而一般官能基化修飾則會(huì)打開(kāi)雙鍵而破壞石墨層的結(jié)構(gòu)完整(破壞雙鍵共振)，也破壞了石墨面的熱傳導(dǎo)性。例如，以摻雜氮(N)納米碳球(Doped-N Nanocapsules)為例，當(dāng)N原子上鍵結(jié)氫質(zhì)子(H+)后，會(huì)將電荷轉(zhuǎn)移到N原子上，使Doped-N Nanocapsule粒子帶正電荷(如圖4所示)，而增加雜原子納米碳球與極性流體(例如水、醇類(lèi)等有機(jī)溶劑)之間的作用力(溶解度)，因此不需要額外使用任何之界面活性劑即具有極佳之分散性。此外，納米碳球由于其粒徑介于1～100nm(多數(shù)約30～40nm)之間，在使用微流道設(shè)計(jì)之散熱裝置中具有非常好的流動(dòng)性能。
在習(xí)知技術(shù)中，有以納米碳材例如納米碳黑或納米碳管、中空或內(nèi)含金屬的純碳納米碳球等，作為提升流體熱傳導(dǎo)效果之添加劑。然而，純碳石墨結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱與導(dǎo)電具方向性，在平行石墨層的平面具高導(dǎo)熱(電)性，在垂直石墨層的方向?qū)?電)性極差。因此外層石墨層無(wú)法有效傳導(dǎo)熱到碳簇顆粒的內(nèi)部。此外，影響納米流體熱傳導(dǎo)性的因素，除了流體與溶質(zhì)本身的熱傳導(dǎo)度外，所添加的納米粒子在流體中的運(yùn)動(dòng)性也有很大的影響；雜原子納米碳球含電子或空穴、在極性溶液中具有較其它純碳納米碳球(或碳材)更易分散、與改質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，因此更適合作為納米導(dǎo)熱流體的添加材。
雜原子納米碳球的外殼為多層石墨結(jié)構(gòu)，內(nèi)部可為中空的(hollow)，或是填充具磁性之金屬、金屬氧化物、金屬碳化物、金屬硫化物、金屬氮化物、金屬硼化物、或金屬合金于其內(nèi)部，金屬的含量可為0.1wt％至80wt％。該金屬或其化合物可包含Sc、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Mo、Ru、Rh、Pd、La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Al、Zn、Dy、Ho、Er、Tm、Lu、Ta、Os、Ir、Pt、Th、或U等金屬原子或其組合。
為使雜原子納米碳球更易于均勻的分散在該流體中，本發(fā)明進(jìn)一步憑借化學(xué)反應(yīng)的方式，將特定之分子與雜原子納米碳球石墨層上之雜原子(N、B、P或S原子)鍵結(jié)，使得雜原子納米碳球鍵結(jié)(或配位鍵結(jié))氫原子、烷基、烷氧基、鹵素、氫氧基、氨基、金屬原子或有機(jī)金屬絡(luò)合物，使其帶電荷后而更增加對(duì)流體(例如水、醇類(lèi)等有機(jī)溶劑)之間的分散性，因此本發(fā)明不需要使用任何額外之界面活性劑即具有極佳之分散性。
含雜原子納米碳球之溶液的制備將100mg之摻雜氮(N)雜原子納米碳球(Doped-N Nanocapsules)與分散溶于100g之水中，配制成0.1wt％的雜原子納米碳球水溶液。
雜原子納米碳球流體性質(zhì)鑒定分別取純水與上述0.1wt％的摻雜氮(N)雜原子納米碳球，并測(cè)量其熱傳導(dǎo)度，測(cè)量結(jié)果如下表1所示
表1

由表1可知，添加雜原子納米碳球的水溶液之熱傳導(dǎo)度系為無(wú)添加納米碳球純水的1.4倍，因此以雜原子納米碳球作為添加物，確實(shí)可大幅提升原溶液(例如水)的熱傳導(dǎo)度。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何熟習(xí)此技藝者，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種之更動(dòng)與潤(rùn)飾，因此本發(fā)明之保護(hù)范圍當(dāng)視后附之申請(qǐng)專利范圍所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，包含流體；以及多個(gè)雜原子納米碳球，分散于該流體中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，其中該雜原子納米碳球的重量百分比介于0.01～10wt％，以該含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液總重為基準(zhǔn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，其中該雜原子納米碳球?yàn)橐环N外殼為封閉石墨層以球中球的結(jié)構(gòu)組成、具有C(D)x化學(xué)組成的多面體型納米碳簇材料，其中，C表示碳原子，具有sp2的混成軌道結(jié)構(gòu)，D可為氮(N)、或硼(B)、或磷(P)或硫(S)原子，與碳原子形成鍵結(jié)，x為0.0001至0.1的數(shù)字。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，其中該雜原子納米碳球的封閉石墨殼層上摻雜之雜原子(D)可鍵結(jié)(或配位鍵結(jié))氫原子、烷基、烷氧基、鹵素、氫氧基、氨基、金屬原子或有機(jī)金屬絡(luò)合物。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，其中該雜原子納米碳球?yàn)閮?nèi)部為中空的。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，其中該雜原子納米碳球的內(nèi)部填充有金屬、金屬氧化物、金屬碳化物、金屬硫化物、金屬氮化物、金屬硼化物或金屬合金。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，其中該金屬為Sc、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Mo、Ru、Rh、Pd、La、Ce、Pr、Nd、Al、Zn、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Lu、Ta、Os、Ir、Pt、Au、Th、U、或其組合。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，其中該雜原子納米碳球的直徑介于1～100nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，其中該流體包含水、有機(jī)溶劑或其混合。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，其中該有機(jī)溶劑包含醇。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的含雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，其中該流體系為水、甲醇、乙醇、正丙醇、異丙醇、正丁醇、異丁醇、t-丁醇、t-戊醇、乙二醇、乙二醇單甲基醚、乙二醇單乙基醚、丙二醇單乙基醚、苯乙烯、醋酸乙酯、甲苯、二甲苯、甲乙酮、丙酮、礦物油或其混合。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種含有雜原子納米碳球的導(dǎo)熱溶液，包含流體及多個(gè)雜原子納米碳球，該多個(gè)雜原子納米碳球分散于作為溶劑的該流體中。其中，納米碳球的含量占總體的重量百分比為0.01～10。值得注意的是，該雜原子納米碳球具高熱傳導(dǎo)度及易于分散于導(dǎo)熱流體的特性，可提升流體散熱裝置的散熱能力。
文檔編號(hào)C09K5/00GK101029218SQ20061001985
公開(kāi)日2007年9月5日 申請(qǐng)日期2006年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月1日
發(fā)明者黃贛麟 申請(qǐng)人:財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院