הבנת הגדלה צריכה לניהול מתקדם

אלקטרוניקה מודרנית, מערכות אוויריות, ואימוני כוח לרכב מתכווץ בגודל תוך הגדלת צפיפות החשמל. מעבד סמארטפונים עכשיו אורז מיליארדי טרנזיסטורים לתוך שבב קטן יותר מאשר ציפורן.חבילה של סוללות רכב חשמלי יכול לשחרר מאות קילווואט במהלך האצה. Satellites חייב לקרין חום פסולת מורכב ריק של חלל. בכל מקרה, עודף ביצועים מסורתיים, להפחית את תוחלת החיים, ועלולים להוביל למקררים פיזיים, למקררים בלחץ חום עמוק.

בין ההחידושים המבטיחים ביותר הם:0 (מרכיבי מתכת מטבוליים מטבוליים:1 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

מה הם מתכת נוזלית-מזרקה Composites?

מתכת נוזלית מטבול מורכבת ממטריקס מוצק מתמשך (ה"חמין") ושלב מפוזר של טיפות מתכת נוזלי או ערוצים רצופים.מתכת הנוזלית היא בדרך כלל סגסוגת גליום - כגון סגסוגת אנטרופית (EGaIn) או galinstan (Ga-In-Sn) - כי רימיום מתמס רק מעל חדר (29.8 מעלות צלזיוס עבור גליום טהור, לעומת סגסוגת חום / חום רגיל) הם חום נמוך יותר (Ricolfly) ו-outicolfly) לעומת 25.

הממטריקס יכול להיות פולימר גמיש כמו פולידי מתילסקס קנדי (PDMS), epoxy נוקשה, elastomer רך, או אפילו קצף מתכת ⁇ . כאשר המתכת הנוזל מפוזר כמו טיפות קנס, השרידים המורכבים עדיין מעוותים ויכולים להתאים משטחים לא אחידים.אם טיפות מחוברות לרשתות מחלחלות, המסובבת הופכת לגורם תרמי גבוה כל כך לא ניתן למנוע את המתכת או לא סגורה.

החוקרים פיתחו מספר שיטות ייצור: היא מתערבבת ליצור השעיה של טיפות, חדירה ואקום לתוך הפיגום ⁇ , ו- co---trusion כדי ליצור מפלס מתכת נוזלי מפולסיים.כל שיטה מציעה עצירות סחר בין ביצועים תרמיים, תאימות מכנית, וייצור קיבולת קנה מידה גבוהה במוסדות כמו FLT:0Carne Melgielon UniversityLTF1 ו-F1:2R.

יתרונות מתכת נוזלית - Infused Composites

מטבול מתכת נוזלי מציעים כמה יתרונות נפרדים על חומרים מסורתיים ניהול תרמי.למטה אנו בודקים כל יתרון בפירוט.

התנהגות יוצאת דופן

מתכות נוזליות בולק לנהל חום הרבה יותר יעיל מאשר TIMs. Copper, חומר חום-מרכזי, יש מוליכות תרמית של -400 W / mK, אבל זה נוקשה וכבד. מתכת מבוססי תרכובות יכול לגשת להתנהגויות של 20-50 W / mK בצורת רך, מבוזר, לייצר טמפרטורות תרמיות (בדרך כלל 2-2-2 / m) מאפשר ל- 10 כתמים חמים יותר.

גמישות מכנית וקונפורטיביות

בניגוד שרי מתכת מוצק או גליונות גרפיטי קשיח, תרכובות מתכת נוזליות יכול להיותנד, למתוח ודחוס.זה הופך אותם אידיאלי עבור ממשקים העוברים רטט או מחזורי הרחבה תרמית - מוכנסים באלקטרוניקה לרכב ו assemblies אוויריות. הם יכולים למלא פערים מיקרוסקופיים וחוספס פני השטח, צמצום עמידות מגע תרמי ללא הפעלת לחץ גבוה.

יכולת עצמית

אחת התכונות המרתקות ביותר היא הסתמכות עצמית, אם הממטריקס סדקים בשל עייפות מכנית או הלם תרמי, מתכת נוזלית המבודדת יכולה לזרום לתוך הסדקים, מחדש הקמת נתיבי התנהגות תרמיים.זה מרחיב את חיי השירות של מערכות ניהול תרמי, במיוחד בסביבות קשות שבהן מיקרו-מקצוץ הוא בלתי נמנע.

עיצוב משקל Light Weight

⁇ מתכת נוזלי יש שיניים סביב 6-7 גרם / CM3, דומה פלדה, אבל כי הם משמשים כרכים קטנים, המשקל המורכב הכולל נשאר נמוך - לעתים קרובות דומה או פחות מאשר כיור חום נחושת של ביצועים שווים. in aerospace ואלקטרוניקה נייד, כל חומר דקדוק. Re הצבת מחץ נחושת 50 גרם עם 20 גרם נוזל מתכת יכול להפחית את המערכת המונית ללא ביצועים תרמילא.

נכסים בלתי ניתנים לעריכה

על ידי התאמת הנפח של מתכת נוזלית, גודל הטיפה, ואת חומר ממטריקס, מהנדסים יכולים להתאים את מוליכות תרמית של מורכב, התנגדות חשמלית, קשיחות מכנית, ואפילו שקיפות אופטית. טונה זו הופכת את החומר להתאמה למגוון רחב של יישומים, מ LED כוח גבוה קירור LED LED לניהול סוללות תרמית.

יישומים בתעשיות

השילוב הייחודי של תכונות הופך את תרכובות מתכת נוזליות המתאימות למספר מגזרים תובעניים.תחתנו אנו מפרטים את השימושים הנוכחיים והמתעוררים המשפיעים ביותר.

אלקטרוניקה גבוהה

יחידות עיבוד מרכזי (CPUs) ויחידות עיבוד גרפי (GPUs) במרכזי נתונים ו- PCs לייצר גלי חום מעל 200 W /2 ס"מ אפים תרמיים מסורתיים לעתים קרובות יבשים או שואבים לאחר רכיבה תרמית, המוביל להשפלה.

ניהול רכב חשמלי

ערכות סוללות ליתיום-יון פועלות בצורה הטובה ביותר בתוך חלון טמפרטורה צר (15–35 מעלות צלזיוס) שיעורי פריקה גבוהים מייצרים חום משמעותי, וחלוקה טמפרטורה לא אחידה מאיצה את ההידרדרות התאית.

אוויר וחשמל מגניב

בחלל, ניתן להסיר חום רק באמצעות קרינה, כל כך יעיל להפיץ הוא קריטי.נוזל מתכת מורכב יכול להיות מיושם צינורות חום או כחומרי ממשק בין אלקטרוניקה ורדיוורים. הנכס שלהם הוא בעל ערך במיוחד בסביבה של ריק וקרינה, שבו תיקונים הם בלתי אפשריים. סוכנות החלל האירופית מממנת מחקרים על מקרמות של מערכות בקרה תרמיות לווינית הדור הבא, מדגמי גזים נמוכים ויציבות ארוכת טווח.

מכשירים רפואיים

ציוד אבחון גבוה (MRI, סורקי CT, אולטרסאונד) ו לייזרים כירורגיים דורשים בקרת טמפרטורה מדויקת כדי להגן על רכיבים רגישים ולהבטיח בטיחות המטופלת.תרכובות מתכת נוזליות ניתן להשתמש כמו דבקים מוליכים תרמיים או מילויי פער שאינם להפריע לשדות מגנטיים (גיום הוא לא מגנטי). הם גם מתאימים לצורות מורכבות בתוך המתחם הרפואי מוגבל.

אלקטרוניקה גמישה ולבוש

שעונים חכמים, להקות כושר, ותיקונים רפואיים לייצר חום מחיישנים ומעבדים. כיור חום נחושת נוקשה יגרום המכשיר בשפע ולא נוח. סרט מתכת נוזלי רזה וגמיש יכול להפיץ חום הרחק מהעור, שיפור נוחות המשתמש תוך שמירה על ביצועים. כמה תצוגות אבטיפוס גמישות גם להשתמש אלה כמו שכבות ניהול תרמי עבור האלקטרוניקה הנהיגה.

אתגרים מרכזיים העומדים בפני מתכת נוזלית

למרות הבטחתם, יש להתגבר על מספר מכשולים טכניים וייצור לפני שהחומרים האלה רואים אימוץ מסחרי נרחב.

סליחות ו- Containment

הדאגה הגדולה ביותר היא מתכת נוזלית דולפת מן המפרק.אם הממטריקס הוא punctured or degraded, ⁇ הריבון יכול לברוח, גרימת מעגלים קצרים חשמליים וקורוזיון. מהנדסים פנו לזה באמצעות שימוש בגרות גבוהה או deviscosity, ועל ידי יצירת קליפות מרובות שכבות דליפות, אבל אמינות לטווח ארוך תחת רכיבה על שטח מחקר פעיל לאחרונה על LT1: מניעת ירידה מכנית אפילו ירידה של 1 ליטרים - כולל ירידה מכנית פחמן דקים - כולל ירידה של 1 ליטרים דקים - כולל ירידה בקטים דקים - כולל ירידה מכנית חומרים מכנית שומן - כולל ירידה של 1 - כולל ירידה של 1 ליטרים דקים דקים דקים דקים.

המונחים: Adjacent Materials

גליום וסגסוגת שלה ידועים לגרום למחזור מתכת נוזלי במכות רבות, במיוחד אלומיניום.אם מתכת נוזלית מתכת מורכב מגעים אלומיניום כיור חום או צלחת קירור, הרייום יכול להתפוגג לאורך גבולות דגנים, גרימת כשל קטסטרופלי.זה מגביל את הבחירה של חומרים סגורים. Solutions כוללים משטחים אלומיניום עם ניקל או באמצעות סגסוגת נחושת, למרות עלות אלה ומשקל אחר הוא שימוש רק על בסיס צמחי מרפא, אבל רק על פני השטח של מוצרים מקוטבים מורכבים.

ייצור מורכבות ועלויות

הפיצות אחידות של טיפות מתכת נוזליות בקנה מידה הוא קשה. . High-shear ערבוב נוטה לחמצן את המתכת הנוזלית, להרכיב עור תחמוצת מוצק דק שמשנה rheology ותכונות תרמיות. עיבוד אוויר מבוקר והשימוש בגולשים יכול להפחית חמצון, אבל להוסיף מורכבות.

סיכון לחשמל

מכיוון ⁇ גליון הם מוליכים חשמלית, רשתות לחיקוי יכול ליצור נתיבים חשמליים לא מקודמים, הגדלת הסיכון של מעגלים קצרים. עבור יישומים שבהם בידוד חשמלי נדרש (למשל, בין CPU למות לבין כיור חום), המסובך חייב לשמור על התנגדות חשמלית גבוהה.זה יכול להיות מושג על ידי שמירה על טיפות מתכת מבודד בתוך מסיסת מתכת בתוך מסיס, אבל זה להפחית את ההתנהגויות תרמיות כמו ציפויים או ציפויים.

אופניים עשירים

חימום חוזר וקירור גורמים הרחבה שונה בין המתכת הנוזלית לבין הממטריקס.לאורך זמן, טיפות עלולות לפחם, הגירה, או אפילו לשבור את המרטריקה, ביצועים משפילים. בדיקות לטווח ארוך (>1000 מחזורים תרמיים) עדיין מוגבל. חלק מחקרים מראים כי התרחבות מורכבת עם גדלים קטנים (תחת 10 μm) שמירה על מוליכות טובה יותר מאשר אלה עם טיפות גדולות יותר, כנראה כי כוחות מכסה חום התנגדות פחמן מתקדמים עם חומרים מתקדמים.

שיטות מחקר ופיתוח מתפתחות

כדי להתמודד עם האתגרים לעיל, חוקרים ברחבי העולם מחפשים מספר דרכים מבטיחות.

Oxide-Skin Engineering

העור הקומפקטי ספונטני על מתכות נוזליות מבוסס גליום (שכבת ננומטר-תיק של Ga2O3) פועל כמכשול מגן וניתן לתמרן.על ידי שליטה ב- pH או יישום פוטנציאלים אלקטרו-כימיים, החוקרים יכולים לשנות את עובי העור ואת המאפיינים המכניים.זה "מכות מתכת" מאפשר טכניקות עיבוד חדשות - לדוגמה, 3D של מבנים נוזליים לשמור על הצורה שלהם כי מספק תחמוצת מתכת מתכת מתכת כהה יכול להיות מסוגל לבצע תאים גמישים.

Hierarchical ו-Hybrary Composites

שילוב טיפות מתכת נוזליות עם ממלאים מוצקים (פחמן ננופס, גרפן, ננווטים נחושת) במריצה אחת יכול ליצור אפקטים סינרגיסטים.המלאים המוצקים יוצרים פיגום שמגביר את ההתנהלות החום אפילו כאשר טיפות מתכת נוזליות אינן מחלחלות, בעוד המתכת הנוזלית ממלאת את הפערים ומספקת שטף עצמי לאחרונה:0 עבודות בטבעיות בתקשורת כפולת עם טיפות פחמן / אטמוספירה מורכבת של אטמוספירה של אטמוספירה של אטמוספירה של אטמוספירה מורכבת של אטמוספירה של אטמוספירה של אטמוספירה (DVDVDVDVDV) עם אטמוספירה מורכבת כמעט PTKDVDVDVDVDVDVDVDVR.

חומרים מבוססי מתכת משתנים

רעיון מתפתח נוסף הוא להשתמש במרכיבי מתכת נוזליים כמו חומרים של שינוי שלב (PCMs) עבור מבול תרמי.גליום יש חום מאוחר יותר של היתוך (~80 J/g) והיתוך בטמפרטורה נוחה (~30 ° C) על ידי encapsulating סוללות גליום טיפות במריצה פולימרטית, המורכב יכול לספוג כמויות גדולות של חום במהלך התכה, ייצוב המכשיר במהלך עומס חום במהלך עומסי לחץ אווירי זמן קצר כגון "מ" יכול לשמש" מגנטים" יכול לשמש.

שילוב ייצור

הדפסה תלת מימדית מציעה נתיב לרכיבי ניהול תרמי בצורת אישית עם ערוצי מתכת נוזליים או ⁇ s. Direct דיו כתיבה של תערובת מתכת נוזלית-פומליים הוכח עבור לוחיות קירור תואמים.זה יכול לאפשר למהנדסים להדפיס מפיץ חום ישירות על לוח מעגלים, אופטימיזציה נתיבי חום בשלושה ממדים.ה האתגר הוא לשמור על רזולוציית הדפסה תוך מניעת דליפות מתכת במהלך תהליך ההדפסה.

השוואת מתכת נוזלית Composites to Conventional Solutions

כדי להבין את ההשפעה הפוטנציאלית, היא מסייעת להשוות את החומרים האלה עם שלוש טכנולוגיות ניהול תרמיות של הזרם המרכזי:

  • (FLT:0) העברים / Greases:03FLT:1 זול וקל ליישם, אבל לסבול מ-Ab-out, יבשה-out, והתנהגויות תרמיות מתחת 10 W / mK. מתכת נוזלית מציעים 2-5× התנהגות גבוהה יותר ללא ייבוש.
  • (FLT:0) Thermal Gap Pads:FLT:1 ; סקירות טרום-פורממות של נוזל אלסטומר מלא חלקיקים קרמיקה או מתכת.הם מחלחלים חשמלית אבל יש להם התנהגות בדרך כלל מתחת 5 W / mK. מתכת מתכת מטבול יכול לעלות על 15 W / mK בעוד שהם נשארים גמישים.
  • (FLT:0) להפיץ את ה- Heat Spreaders:FLT:1 , מוליכות גבוהה, אך נוקשה, כבדה, ודורש משטחים שטוח עם ממשק פסים תרמיים נוזלי מתכת הם קלים יותר ויכולים להתאים לגיאומטריה לא-מתכננים, אך לא יכול להתאים את מוליכות של נחושת (~400 W/mK) עם זאת, ביצועי המערכת הכוללת הם לעתים קרובות מוגבלים על ידי התנגדות תרמית, לא רק על ידי ממשק עבה, לא יכול להיות מורכב עם שכבתי.

הבחירה תלויה בתקציב תרמי הספציפי, מגבלות מכניות ומטרות עלות. עבור יישומים אולטרה-גבוהים (למשל, שרת CPUs, דיודות לייזר), מטבוליות נוזליות עשויים להחליף הן פס והן תנור חום, מפשטות את ההרכבה.עבור אלקטרוניקה המונית, הפחתה בעלויות נדרשים.

מסקנה

תרכובות מתכת נוזליות עומדות בצומת של חומרים מדע, תרמודינמיקה וחדשנות ייצור.היכולת שלהם למזג מוליכות תרמית גבוהה עם גמישות, הסתמכות עצמית, ובנייה קלה הופכת אותם מתאימים באופן ייחודי כדי להתמודד עם דרישות הפחתת החום הגדלה של הטכנולוגיה המודרנית.מ קירור שבבים המחשב החזק ביותר כדי לרסן טמפרטורות סוללות בכלי רכב חשמליים ולהגן על סביבת אלקטרוניקה רגישה, חומרים אלה מציעים פתרון רב תכליתי וביצועים.

עם זאת, מכשולים משמעותיים נשארים: מניעת דליפות, תאימות חומרית, ייצור מדרגי, ועלות.המשך מחקר להנדסה חד-חמצני-שקי, מלאים היברידיים, וייצור תוספת הוא בהתמדה ניתוק במחסומים אלה.כלחץ רגולטורי עבור מכשירים חסכוניים באנרגיה והמכשירים ממשיכים למזער, אימוץ של מקרשים נוזלי עשוי להאיץ.