Жидкий металл не высыхает, но всё равно портится со временем — Der8auer нашёл причину

Немецкий энтузиаст и глава компании Thermal Grizzly Роман Хартунг (Roman Hartung), известный под псевдонимом Der8auer, опубликовал результаты двухлетних наблюдений за термоинтерфейсом из жидкого металла. Он выяснил, что галлий вступает в реакцию с медными радиаторами, образуя твёрдое соединение, теплопроводность которого в четыре раза ниже, чем у меди. Никелевое покрытие защищает медь, но само вступает в реакцию с галлием, также ухудшая отвод тепла.

Der8auer в своём новом видео продемонстрировал результаты двухлетнего наблюдения за термоинтерфейсом из жидкого металла с помощью электронного микроскопа. Выяснилось, что материал не высыхает: входящий в состав жидкого металла галлий вступает в химическую реакцию с медью, образуя твёрдое соединение. Теплопроводность этого слоя оказывается в четыре раза ниже, чем у чистой меди. Использование никелевого покрытия снижает толщину такого слоя примерно в 10 раз, но его теплопроводность ещё ниже.

Согласно представленным результатам, через час после нанесения термоинтерфейс всё ещё оставался жидким. Спустя два месяца материал затвердел, а его поверхность покрылась кристаллами. Через два года состояние материала не изменилось. Чтобы избежать окисления, в перерывах между этапами исследования образцы хранились в вакууме или в среде азота.

Рассматриваемый термоинтерфейс представляет собой сплав галлия и индия, который остаётся жидким при комнатной температуре. Компания Thermal Grizzly выпускает такой продукт под названием Conductonaut. Температура плавления галлия составляет около 30 °C, а сплав галлия, индия и олова плавится уже при 11 °C. Характер взаимодействия жидкого металла с поверхностью зависит от материала радиатора.

В случае с алюминием, если нарушить оксидную плёнку, галлий проникает вдоль границ зёрен металла, что приводит к его ослаблению. В ходе демонстрации на алюминиевой пластине толщиной 2 мм уже через пять минут наблюдалось вздутие поверхности, а спустя полчаса металл стал хрупким.

При контакте с медью жидкий металл уже через пять минут становится невозможно удалить с помощью изопропилового спирта или ацетона. Галлий вступает в реакцию с медью, образуя слой соединения CuGa₂, которое остаётся твёрдым до 254 °C. Теплопроводность CuGa₂ составляет около 100 Вт/(м·К), тогда как у чистой меди этот показатель достигает примерно 400 Вт/(м·К). Толщина слоя CuGa₂ увеличивается примерно на 1 мкм в сутки, достигая в конечном итоге 50–100 мкм в зависимости от температуры и количества галлия.

В случае с никелированными радиаторами галлий образует соединение NiGa₅, которое остаётся твёрдым при комнатной температуре. Слой NiGa₅ получается примерно в 10 раз тоньше — от 1 до 5 мкм (в других материалах Der8auer указан диапазон 5–10 мкм), но его теплопроводность ниже, чем у соединения меди с галлием. Тем не менее использование никелированных поверхностей предпочтительнее, поскольку в них поглощается значительно меньше галлия, а сам никелевый слой защищает медь под ним.

Удалить остатки этих соединений непросто. Для этого рекомендуется использовать средство Thermal Grizzly TG Metal Polish & Restore. Оно описывается как поверхностно-активное соединение, которое связывает галлий и предотвращает его повторное прилипание к поверхности. Набор, включающий 30 г пасты, полировальный карандаш и салфетки из микрофибры, можно приобрести напрямую у производителя за $22,11.

В ходе демонстрации было показано, как образовавшийся слой удаляется с поверхности «голой» меди. Один из пользователей форума PC Games Hardware использовал это средство для очистки водоблока Aqua Computer, который с 2018 года контактировал с жидким металлом при охлаждении процессора Skylake-X со снятой крышкой. На полную очистку ушёл примерно час.

Жидкий металл — термоинтерфейс не для рядового пользователя. По словам Der8auer, он должен оставаться «в кругу энтузиастов» и предназначен для компонентов с очень высоким тепловыделением. Thermal Grizzly планирует заменить никелевое покрытие на новые варианты — «возможно, уже в следующем году». В ближайшее время ожидается выпуск новой версии графеновой прокладки KryoSheet для использования непосредственно на кристалле процессора. По словам компании, она уступает жидкому металлу примерно 3–4 градуса, но заслуживает внимания, «особенно если учесть её стоимость».

Сейчас компания платит за галлий почти в 10 раз больше, чем пять лет назад: цена выросла с €300 до €2500–3000 за килограмм. С начала 2025 года стоимость увеличилась более чем вдвое. Китай обеспечивает 99 % мировых поставок галлия, а отсрочка запрета на экспорт этого металла в США действует лишь до 27 ноября 2026 года. При этом для поставок по-прежнему требуются специальные экспортные лицензии.