Новые материалы для лучшего рассеивания тепла в энергосистемах Evtol

Электрические вертикальные взлет и посадка (eVTOL) самолеты готовы переопределить городскую мобильность, предлагая быстрые, тихие и без выбросов путешествия по перегруженным городам. По мере ускорения развития в направлении коммерческого развертывания, одной из самых насущных инженерных проблем является управление тепловой энергией в энергетических системах, которые приводят в движение эти самолеты. Высокая плотность мощности, необходимая для взлета, круиза и посадки, генерирует интенсивное тепло, которое должно быстро рассеиваться для защиты чувствительной электроники, поддержания эффективности и обеспечения безопасности. Традиционные методы охлаждения - алюминиевые радиаторы, вынужденный воздух и жидкие петли охлаждения - достигают своих пределов по мере увеличения плотности энергии. Это вызвало волну инноваций в материалах, специально спроектированных для превосходного рассеивания тепла. От атомарно тонких слоев углерода до пористых кристаллических структур, новые материалы настроены на преобразование того, как энергетические системы eVTOL остаются прохладными под давлением.

Тепловые требования к электроэнергетическим системам eVTOL

Самолеты eVTOL работают в условиях, которые толкают традиционное управление тепловыми потоками к точке разрыва. Силовая электроника — инверторы, преобразователи, контроллеры двигателей — обрабатывают токи, которые могут превышать сотни ампер, особенно во время вертикального взлета и посадки, когда потребность в тяге самая высокая. Пакеты аккумуляторов, как правило, литий-ионные или возникающие твердотельные химические вещества, также генерируют значительное тепло во время циклов быстрого заряда и разряда. В отличие от наземных транспортных средств, eVTOL не могут полагаться на естественный воздушный поток на малых высотах или во время наведения. Компактная упаковка, необходимая для удовлетворения ограничений веса и пространства, еще больше усугубляет накопление тепла, создавая горячие точки, которые ухудшают производительность и сокращают срок службы компонентов.

Термический сбег в батареях, перегрев изоляционных шлюзовых биполярных транзисторов (IGBT) в инверторах и размывание печатных плат являются реальными рисками. Федеральное управление гражданской авиации (FAA) и Агентство по авиационной безопасности Европейского союза (EASA) установили строгие стандарты сертификации для теплового поведения, требующие, чтобы энергетические системы поддерживали безопасные рабочие температуры при всех условиях полета, включая сценарии отказа. Отвечая этим стандартам, требуются материалы с теплопроводностью, намного превышающей то, что может обеспечить традиционный алюминий (около 200 Вт / м · К) или медь (400 Вт / м · К), особенно когда вес и объем ограничены.

Материальные инновации для улучшенной диссипации тепла

Исследователи и производители изучают спектр современных материалов, которые используют уникальные физические свойства для более эффективного удаления тепла от критических компонентов. Эти материалы варьируются от ультратонких углеродных аллотропов до инженерных композитов, которые используют изменение фазы или капиллярное действие.

Графен и композиты на основе графена

Графен, лист углерода толщиной в один атом, славится своей необычайной теплопроводностью - измеряется до 5000 Вт / м · К в идеальных условиях. На практике графеновые пленки и хлопья, когда они включены в полимерные матрицы или в качестве автономных покрытий, могут значительно увеличить теплораспределение. Для приложений eVTOL, графеновые материалы теплового интерфейса (TIM) снижают тепловое сопротивление между тепловыделяющим чипом и теплообменником. Однако остаются проблемы: последовательное крупномасштабное производство графеновых хлопьев в композитах для максимизации проводимости требует тщательной обработки. Такие компании, как [FLT: 0] Graphenea [[FLT: 1] и [FLT: 2]] XG Sciences [[FLT: 3]] продвигают технологии производства, в то время как академические группы в MIT и Манчестерском университете продолжают исследовать гибридные графен-полимерные пленки, которые сочетают гибкость с высокой проводимостью. Недавние исследования показали, что добавление всего 1-5% графена по весу к эпоксидной жидкости может удвоить его теплопроводность, ощу

Углеродные нанотрубки (CNTs)

Углеродные нанотрубки — цилиндрические молекулы со стенками графена — также обеспечивают исключительную теплопроводность, при этом отдельные одностенные НКТ достигают значений около 3500 Вт/м·К. В объемном виде НКТ-решения и бакипапы могут использоваться в качестве тепловых соединений или наполнителей в TIMs. Их высокое соотношение сторон и механическая прочность делают их особенно привлекательными для конформных слоев охлаждения, которые подходят к нерегулярным геометриям в инверторах или аккумуляторных батареях. Исследовательские группы в Университете Райса и Университете Цинхуа разработали методы выращивания вертикально выровненных лесов НКТ, которые действуют как тепловые супермагистрали между чипом и его теплоотводом, снижая сопротивление интерфейса на порядки. Для eVTOL, где вибрация и тепловой цикл постоянны, механическая устойчивость НКТ является ключевым преимуществом перед традиционными припоями или смазками.

Материалы на основе алмазов

Синтетический алмаз, производимый химическим осаждением паров (CVD), имеет теплопроводность, превышающую 2000 Вт / м · К - в пять раз больше, чем у меди - наряду с отличными электрическими изоляционными свойствами. Алмазные подложки и тепловые распредвалы уже используются в мощных лазерах и радиочастотных усилителях, и они в настоящее время оцениваются для электроники питания eVTOL. Крайняя твердость алмаза и низкий коэффициент теплового расширения делают его идеальной подложкой для силовых устройств нитрида галлия (GaN) и карбида кремния (SiC), которые сами по себе более эффективны, чем традиционный кремний, но генерируют концентрированное тепло. Такие компании, как [FLT: 0]] Element Six [[FLT: 1]] (часть De Beers Group) и [FLT: 2]]IIa Technologies производят алмазные пластины CVD в размерах, подходящих для установки многократных энергетических матриц. Основными барьерами являются стоимость - алмазные пластины могут быть сотни долларов за квадратный сантиметр - и

Материалы для фазовых изменений (PCM)

Материалы фазового изменения обеспечивают другой подход: вместо того, чтобы просто проводить тепло, они поглощают его во время фазового перехода, обычно от твердого до жидкого. Интегрируя PCM в аккумуляторные батареи или корпуса силовой электроники, инженеры могут создавать тепловые буферы, которые впитывают переходные тепловые шипы — например, во время быстрого подъема или аварийного спуска — и медленно высвобождать тепло в периоды более низкого спроса. Общие PCM для eVTOL включают парафиновые воски, солевые гидраты и жирные кислоты, с точками плавления, адаптированными между 40 ° C и 80 ° C. Более продвинутые варианты используют металлические сплавы или органические эвтектики с более высокой скрытой тепловой мощностью. Ключом к эффективности является инкапсуляция: PCM должны быть герметизированы в микрокапсулах или встроены в пористую матрицу для предотвращения утечки при расплавлении. Такие компании, как FLT: 1 и FLT: 2 Энтропийные решения предлагают коммерческие PCM композиты, которые могут быть интегрированы в корпуса батарей

Металлоорганические структуры (MOF)

Металлоорганические каркасы представляют собой класс пористых кристаллических материалов с огромной внутренней площадью поверхности — до 7000 м2 на грамм. В то время как в основном они изучаются для хранения газа и катализа, MOF в настоящее время изучаются для управления температурой из-за их способности быстро передавать тепло через свои поровые сети и адсорбировать и десорбировать молекулы, которые уносят тепло. Некоторые MOF проявляют фазовое изменение, поглощая большое количество тепла во время десорбции воды или других гостевых молекул. Для eVTOL покрытия MOF на поверхностях теплообменников могут усиливать конвективное охлаждение путем содействия кипячению ядер или они могут служить в качестве тонкопленочных тепловых регуляторов, которые реагируют на изменения температуры. Исследования все еще на ранней стадии — группы в UC Berkeley и Кембриджском университете синтезируют MOF с рекордной теплопроводностью и тестируют их в микроэлектронных демонстрациях охлаждения. Настраиваемость химии MOF позволяет настраивать тепловые свойства, но проблемы включают стабильность во влажных условиях и масштабируем

Жидкий металл Термальные интерфейсы

Жидкие металлы — такие как галлий, индий и оловянные сплавы — предлагают теплопроводность выше 30 Вт / м · К в жидком состоянии, намного превосходя обычные тепловые смазки (0,5-5 Вт / м · К). В отличие от твердых TIM, жидкие металлы могут поступать в микроскопические зазоры, обеспечивая тесный контакт между поверхностями. Для модулей питания на основе галлия тестируются жидкие металлические TIM, предназначенные для замены припоев и термических паст в приложениях с высоким потоком тепла. Одной из проблем является электропроводность: жидкие металлы могут иметь компоненты короткого замыкания, если они протекают. Поэтому требуются точные дозирующие и надежные сдерживающие компоненты. Такие компании, как [FLT: 0] Indium Corporation [[FLT: 1]] производят листы предварительной формы и одноразовые сплавы специально для силовой электроники. Последние достижения в инкапсуляции жидких металлов (например, с использованием силиконовых или эластомерных барьеров) снизили риски утечки, что делает их более практи

Сравнительные критерии эффективности и отбора

Выбор правильного материала зависит от конкретной тепловой задачи в энергосистеме eVTOL. Для устойчивой теплопроводности, распространяющейся на больших площадях, графеновые пленки или алмазные пластины CVD предлагают самую высокую проводимость, но по цене премиум. Для устранения сопротивления интерфейса между транзистором GaN и его радиатором жидкий металл или CNT-решения обеспечивают наименьший тепловой импеданс. Для управления переходными шипами композиты PCM и тепловые буферы на основе MOF обеспечивают пассивное регулирование температуры без активных контуров охлаждения. Многоматериальный подход часто оптимален: например, алмазная подложка под чипом питания в сочетании с графеном TIM и резервуаром PCM, встроенным в близлежащую структуру, для поглощения пиковых нагрузок. Вес является еще одним критическим фактором — графеновые пены и канистры CNT являются одними из самых легких вариантов, в то время как алмазная сертификация также предъявляет долгосрочные требования к надежности: материалы должны выдерживать тысячи тепловых циклов без деградации. Ускоренные испытания старения в Boeing и Airbus подчеркнули необходимость надежной адге

Проблемы интеграции и масштабируемость производства

Успехи в лабораторных масштабах не автоматически переходят на производственные линии. Многие из этих новых материалов - особенно графен, MOF и CVD алмаз - требуют специализированного оборудования и условий процесса, которые являются дорогостоящими и медленными. Для производителей eVTOL их принятие, затраты должны упасть и пропускная способность должна расти. Прогресс делается: химическое осаждение пара алмаза перешло от небольших исследовательских реакторов к серийным системам, способным покрывать 4-дюймовые пластины, и производство в рулоне графеновых пленок теперь коммерчески доступно. Тем не менее, интеграция этих материалов в существующую упаковку силовых модулей (например, проволочное склеивание, пайка, инкапсуляция) часто требует перепроектирования интерфейсов и процессов сборки. Термические интерфейсные материалы, которые являются твердыми при комнатной температуре, но плавятся во время работы (например, некоторые композиты PCM) должны содержаться с надежными прокладками или клеями. MOF покрытия должны выращиваться непосредственно на поверхности теплопередачи в контролируемых условиях, что добавляет производственные шаги. Несмотря на эти препятствия, партнерские

Будущие направления исследований

Появляется несколько перспективных направлений, которые могут дополнительно улучшить управление теплом eVTOL. Одно из них — разработка гибридных систем управления теплом , которые объединяют несколько материалов в одном интегрированном пакете — например, кожу из графенового композита, завернутую вокруг модуля батареи, заполненного PCM, с алмазными распредвалами тепла, встроенными в горячие точки. активное управление тепловыми свойствами с использованием настраиваемых материалов, таких как сплавы с памятью формы или электрически переключаемые PCM, которые изменяют свою проводимость или скрытое тепло по требованию. — инженерные структуры, которые направляют тепло вокруг препятствий или концентрируют его в определенных точках — также могут быть применены к электронным платам EVTOL для защиты чувствительных компонентов. Машинное обучение также играет роль: алгоритмы теперь могут оптимизировать расположение различных TIM и радиовентиляторов в модуле питания для минимизации теплов