حلول الإدارة الحرارية باستخدام مركبات مزودة بسائل

مزايا المركبات المزودة بالبقود

وتقدم تركيبات المعادن السائلة عدة فوائد متميزة على مواد الإدارة الحرارية التقليدية، ويلي ذلك ندرس كل ميزة بالتفصيل.

السلوك الحراري الاستثنائي

وتُجري الفلزات السائلة الحرارة بكفاءة أكبر بكثير من المواد الشائعة التي تستخدمها أجهزة القياس، حيث توجد مادة قياسية لأجهزة التبريد الحراري تبلغ 400 دبليو/متر مربع، ولكنها شديدة التصلب وثقيلة، ويمكن للمركبات السائلة أن تقترب من مسارات تتراوح بين 20 و50 دبليو/م/م/م/م/كتار في شكل ناعم قابل للانتشار، مما يزيد من سرعة استخدام المواد الحراري (من 2 إلى 8 كم)

المرونة والقابلية للتشغيل

وعلى عكس أشباه المعادن الصلبة أو أغطية الرسوم البيانية الصلبة، يمكن للمركبات الفلزية السائلة أن تنحني وتمتد وتضغط، مما يجعلها مثالية للوصلات البينية التي تخضع لهيكل أو دورات التوسع الحراري - المشتركة في الأجهزة الإلكترونية الآلية وتجمعات الفضاء الجوي، ويمكنها سد الثغرات في الميكروسكوب والخصوبة السطحية، والحد من مقاومة الاتصال الحراري دون تطبيق ضغط عال.

قدرات الصحة الذاتية

One of the most fascinating properties is self-healing. If themel cracks due toميكانيكيal fatigue or thermal shock, the encapsulated liquid metal can flow into the crack, re —establishing thermal conduction pathways. This extends the service — life of thermal management systems, especially in harsh environments where micro-cracking is inevitably. A[FT:0]

تصميم الوزن الخفيف

وتعاني السبيكات المعدنية السائلة من كثافة تتراوح بين 6 و7 غرام/كتار3، مقارنة بالفولاذ، ولكن نظراً لاستخدامها في أحجام صغيرة، فإن الوزن الكلي المركبة يظل منخفضاً جداً مثل أو أقل من مغسلة حرارية نحاسية من أداء معادل، وفي الفضاء الجوي والإلكترونيات المحمولة، كل مسألة من المسائل المتعلقة بالغرامات.

الممتلكات غير القابلة للتسوية

وبتعديل جزء الحجم من المعدن السائل وحجم السقوط ومواد المصفوفة، يمكن للمهندسين أن يصمموا المنهج الحراري المركب، والمقاومة الكهربائية، والثبات الميكانيكي، وحتى الشفافية البصرية، مما يجعل من الممكن تكييف المواد مع مجموعة واسعة من التطبيقات، من التبريد العالي القوة للأجهزة المتفجرة المرتجلة إلى إدارة البطاريات الحرارية.

تطبيقات الصناعات عبر الحدود

فالجمعة الفريدة من الممتلكات تجعل تركيبات المعادن السائلة مناسبة لعدة قطاعات متطلبة، ونورد أدناه تفاصيل عن أكثر الاستخدامات الحالية والناشئة تأثيرا.

الإلكترونيات العالية الأداء

وتولد وحدات التجهيز المركزي ووحدات تجهيز الرسوم البيانية في مراكز البيانات ومقامرة المركبات السائلة تدفقات حرارية تتجاوز 200 دبلوم/سم2. وكثيراً ما تجف العواصف الحرارية التقليدية أو تضخ بعد التدوير الحراري، مما يؤدي إلى التدهور. وتقدم المركبات المعدنية السائلة تداخلاً حرارياً غير متصلب، يمكن أن يتصدى للشحنات الحرارية المتكررة مثل الكومبيوتر.

إدارة كتائب المركبات الكهربائية

وتنتج عن ارتفاع معدلات التسريح درجة حرارة كبيرة، وتزيد درجة الحرارة في توزيعها غير المتساوية من تدهور الخلايا، ويمكن وضع أحزمة من الفلزات المزودة بالبلازميل المزودة بالبلازما بين خلايا البطاريات لتوفير السلوك الحراري والتسلية الميكانيكية على حد سواء، وتستوعب مرونتها ارتفاعاً في الخلايا أثناء دورات الشحن والتنزيل.

الفضاء الجوي وتبريد السواتل

وفي الفضاء، لا يمكن إزالة الحرارة إلا عن طريق الإشعاع، ومن الأهمية بمكان أن تكون عملية الانتشار الفعالة، ويمكن تطبيق المركب المعدني السائل على الأنابيب الحرارية أو كمواد وصل بين الإلكترونيات والمشعات، وتُعتبر ممتلكاتها ذاتية الرفع في بيئة الفراغ والإشعاع، حيث يتعذر إصلاحها، وقد مولت وكالة الفضاء الأوروبية دراسات عن المركبات المحتوية على الغاليوم لنظم الخفضية الجيلية القادمة، متذرعة باستقرار الحراري.

الأجهزة الطبية

وتحتاج معدات التشخيص العالية الجودة (الأشعة المقطعية، والأشعة السينية، والأشعة فوق الصوتية) والليزرات الجراحية إلى مراقبة دقيقة لدرجة الحرارة لحماية المكونات الحساسة وضمان سلامة المرضى، ويمكن استخدام المركبات المعدنية السائلة كمواد مجهزة للسلوك الحراري أو مشغلة للثغرات لا تتدخل في الحقول المغناطيسية (الغاليوم غير مغنطيسية)، كما أنها تتوافق مع الأشكال المعقدة الموجودة داخل الضميمة الطبية.

الإلكترونيات المرنة والمستقرة

وتولّد المناشف الذكية، وفرق اللياقة، والرقائق الطبية الحرارة من أجهزة الاستشعار والمعالجات، وسيؤدي مغسلة حرارة النحاس الصلبة إلى جعل الجهاز مُضخم وغير مريح، كما أن فيلماً رقيقاً ومرناً من الفلزات السائلة يمكن أن يُنثر حرارة من الجلد ويحسّن من راحة المستخدمين بينما يحافظ على الأداء.

التحديات الرئيسية التي تواجه المركبات المزودة بالبريد

وعلى الرغم من وعدهم، يجب التغلب على عدة عقبات تقنية وصناعية قبل أن تشهد هذه المواد اعتمادا تجاريا واسع النطاق.

الرضاعة والحماية

The greatest concern is liquid metal leaking out of the composite. If the spec is punctured or degraded, the gallium alloy can escape, causing electrical short circuits and corrosion. Engineers have addressed this by using high-viscosity matrices and by creating multilayer encapsulation films, but long-term reliable under thermal cycling remains an active research area.

تصوّر المواد النباتية

ومن المعروف أن الغاليوم وسبيكاته تتسبب في قذف المعادن السائلة في العديد من المعادن، ولا سيما الألمنيوم، وإذا كان المركب المعدني السائل يربط مغسلة حرارة الألمنيوم أو لوحة تبريد، فإن الصالة يمكن أن تنتشر على طول الحدود، مما يتسبب في إخفاق كارثي، وهذا يحد من اختيار المواد المحتوية على غسيل الألومنيوم، مع زيادة وزن الخلايا.

التصنيع

ومن الصعب إنتاج تفريق موحد بين قطرات المعادن السائلة على نطاق واسع، ويميل السمع العالي إلى تأكسد المعدن السائل، مما يشكل جلداً صلباً رقيقاً يغير من سمات السيول والخصائص الحرارية، ويحتاج تجهيز الغلاف الجوي المتحكم به واستخدام المفاعلات السطحية إلى تخفيف حدة التأكسد، ولكن التعقيدات الإضافية، ومعظم المركبات تُصنع في الوقت الراهن في بطاريات صغيرة، وتكلف مئات الدولارات.

مخاطر السلوك الكهربائي

ونظراً لأن سبائك الجاليوم هي وسائل كهربائية، فإن شبكات التكتل يمكن أن تخلق مسارات كهربائية غير مقصودة، مما يزيد من خطر الاختصار، أما بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب عزلة كهربائية (مثلاً بين وحدة استعمارية ومستودع حراري) فيجب أن تحافظ المركبة على قدرة عالية على مقاومة الكهرباء، ويمكن تحقيق ذلك بإبقاء الانقطاعات المعدنية السائلة في مصفوفة العزلة، ولكن ذلك يقلص من السلوك.

القدرة على الصقل الحراري

فالتدفئة والتبريد المتكررين يؤديان إلى توسع مختلف بين المعدن السائل والمصفوفة، وقد تتراكم، أو تهاجر أو حتى تكسر المصفوفة، أو الأداء المهين، ولا يزال الاختبار الطويل الأجل (000 1 دورة حرارية) محدودا، وتبين بعض الدراسات أن المركب الذي يحتوي على أحجام صغيرة من قطرات السائل (دون 10 ميكروغرام) يحتفظ بسلوك أفضل من تلك التي لها مواهب مقاومة أكبر، ويفترض أن ذلك هو أن المصفات الأسطولات.

الاتجاهات الناشئة في مجال البحث والتطوير

ولمواجهة التحديات المذكورة أعلاه، يسعى الباحثون في جميع أنحاء العالم إلى تحقيق عدة سبل واعدة.

Oxide — Skin Engineering

ويستخدم جلد أكسيد التلقائي في الفلزات السائلة الموجودة في الغاليوم (طبقة قليلة من النيتروم - ثيك من غاز الغيلان) كحاجز وقائي ويمكن التلاعب به، وبتحكمه في الهيدروجين أو تطبيقه للإمكانات الكهروكيميائية، يمكن للباحثين أن يزيلوا سميك الجلد وخواصه الميكانيكية، وهذه " الميثالوريدية " تتيح تقنيات التجهيز الجديدة.

المركب الهرمي والمختلط

ويمكن أن يؤدي الجمع بين قطرات معدنية سائلة وملئات صلبة (النانووب الكربونية، والغرافيني، والنانواريات النحاسية) في مصفوفة واحدة إلى إحداث آثار تآزرية، حيث أن المواسير الصلبة تشكل مكياجاً يعزز السلوك الحراري حتى عندما لا تكون قطرات المعادن السائلة ملتوية، بينما سد المعدن السائل الثغرات ويوفر سائل للتسخين الذاتي.

مواد تغير المرحلة السائلة

وثمة مفهوم جديد آخر هو استخدام مركبات المعادن السائلة كمواد لتغيير المرحلة من أجل العزل الحراري، فالغاليوم لديه حرارة عالية من الاندماج )٠٨ ي/ج( والذوبان عند درجة حرارة ملائمة )٣٠ درجة مئوية( ويمكن أن تستوعب أجهزة الرادارات المركبة كميات كبيرة من الحرارة أثناء الارتطام )٣٣٠ درجة مئوية(.

التكامل الصناعي

ويوفر الطباعة 3D مسارا لمكونات الإدارة الحرارية ذات الشكل المألوف مع قنوات أو خريجات معدنية سائلة مزروعة، وقد ثبت أن الكتابة المباشرة لمزيج الفلزات السائلة المحتوية على لوحات التبريد المطابقة، مما يمكن المهندسين من طباعة موزع حراري مباشرة على لوحة دائرية، مما يؤدي إلى تحقيق أفضل مسارات حرارية في ثلاثة أبعاد، ويتمثل التحدي في الحفاظ على حل مطبوعات مع منع تسرب المعادن السائلة.

مقارنة مجمّعات المعادن السائلة بالحلول التقليدية

ولفهم الأثر المحتمل، يساعد على مقارنة هذه المواد بثلاث تكنولوجيات رئيسية للإدارة الحرارية:

• Thermal Pastes/Greases:] Cheap and easy to apply, but suffer from pump‐out, dry----out, and thermal conductivities below 10 W/m·K. Liquid metal composites offer 2-5x higher conductivity with no drying.
• Thermal Gap Pads:] Pre —formed sheets of elastomer filled with ceramic or metal particles. they are electrically insulating but have conductivities typically under 5 W/m·K. Liquid metal composites can exceed 15 W/mK while remaining flexible.
• Copper Heat Spreaders:] Highest conductivity, but rigid, heavy, and require flat surfaces with thermal paste interfaceite are lighter and can conform to non-planar geometries but cannot match bulk copper’s conductivity (~400 W/mperformeK). However, the overall system conductmal performance is often limited

ويتوقف الاختيار على الميزانية الحرارية المحددة، والقيود الميكانيكية، وأهداف التكلفة، وبالنسبة للتطبيقات التي تستخدم في أعلى المستويات (مثل وحدات البرمجيات الخادمية، والأغصان الليزرية)، يمكن للمركبات الفلزية السائلة أن تحل محل المعكرونة وموزع الحرارة، وتبسّط التجمع، وبالنسبة للالكترونيات التجارية الجماعية، يلزم إجراء تخفيضات في التكاليف.

خاتمة

وتقف المركبة المزودة بالبلازميد في تقاطع علوم المواد، وعلم الديناميكا الحرارية، والابتكار في مجال التصنيع، وقدرتها على دمج الموصلات الحرارية العالية بالمرونة، والتدفئة الذاتية، وبناء الوزن الخفيف، تجعلها مناسبة بشكل فريد لمعالجة الطلبات المتزايدة على التفكك الحراري للتكنولوجيا الحديثة، ومن تهدئة أقوي رقائق الحواسيب إلى تنظيم درجات الحرارة العالية في المركبات الكهربائية وحماية المواد الحساسة.

ومع ذلك، لا تزال هناك عقبات كبيرة: منع التسرب، والتوافق المادي، والتصنيع القابل للتكرار، والتكلفة، إذ من المرجح أن يتسارع البحث الجاري في هندسة الأوكسيدات، والمواسير الهجينة، والتصنيع الإضافي، مع استمرار الضغط التنظيمي على الأجهزة والأجهزة ذات الكفاءة في استخدام الطاقة، ومع ذلك، فإن من المرجح أن يتسارع اعتماد المواد المركبة للمعادن السائلة في المستقبل.