Büyüyü Gelişmiş Termal Yönetim için Anlamak

Modern elektronik, havacılık sistemleri ve otomotiv güç antrenmanları, güç yoğunluğunda artış olurken boyut küçültmektedir. Akıllı bir akıllı işlemci şimdi milyarlarca transistörleri bir parmakdan daha küçük bir çipe kadar bir diskakereler. Bir elektrik aleti paketi hızları, hızlar boyunca yüzlerce kilovat yüklenebilir - uzayın vakumuna ulaşır.Bu, her durumda, aşırı ısı degradları performans, ömür boyu azalır ve felakete yol açabilir. Geleneksel soğutma çözümleri -kopper ısı lavaboları, fanlar, ısı boruları ve ısı parçaları - fiziksel sınırlarına ulaşır.

En umut verici yenilikler arasında:0)liquid metal-infüzyon kompozitleri[Döneticileri 1 ). Bu malzemeler sıvı metallerin olağanüstü termal iletkenliği ile evlenebilir, geleneksel termal salaklardan daha yüksek hale gelir - bu makale, sağlam kompozitlerin mekanik avantajları ve form-faz avantajları ile, bu malzemelerdeki nano ölçekli damlacıklar, polimer, elastomer veya seramik matrisler, mühendisler esnek, kendi kendine bağlı olarak, yüksek derecede verimli ısınabilir.

Sıvı Metal ile Oluşan Kompozitler Nedir?

Bir sıvı metali, sürekli sağlam bir matrixten oluşur (örneğin “hayal”) ve sadece yukarıdaki oda sıcaklığının (9.8 °C) ve makul bir pompa basıncına kıyasla daha düşük (EGaIn-Sn) - yüksek termal iletkenliği ile kıyaslanamaz (yaklaşık 25-40 / 40 °C) ve daha yüksek ısı iletkenliği gösterir.

matrix poliditilsiloxane (PDMS), sert bir epoxy, yumuşak bir elastomer veya hatta sıvı metal köpüklü bir şekilde dağıtılır, böylece sıvı metaller bitişik elektronik bileşenlere bağlanır ve düzensiz yüzeylere bağlanabilir.

Araştırmacılar birkaç üretim yöntemi geliştirdiler: damlat süspansiyonları oluşturmak için karıştırılmış, vakumlamalar göz ardı edilebilir tırmalara ve ko-ex Attack to formlan sıvı metal filamentler. Her yöntem, ısı performansı, mekanik uyumluluk ve üretim ölçeklenebilirliği arasındaki her türlü işlem, 10 W /m·K'nın sağlam bir şekilde yerine getirilmesini sağlar.

Sıvı Metal ile Oluşan Kompozitlerin Avantajları

Sıvı metal kompozitler geleneksel termal yönetim malzemeleri üzerinde çeşitli farklı avantajlar sunar. Aşağıda her avantajı ayrıntılı olarak inceler.

Dışsal Termal Davranış

Bulk sıvı metaller, ortak TIMs. Copper'den çok daha verimli bir şekilde ısıtılır, yumuşak, genişleyen bir form, dışlayıcı ~400 W /m·K'nın bir faktörü ile ısıtılır, ancak ısının 20-50 W /m·K'nın ısıtılması, mikroişlemci ve güç modüllerinde ısıtılması için daha hızlı bir şekilde ısınmasına olanak sağlar.

Mekanik Flexability ve Conformability

Katı metal shims veya katı grafiklerin aksine, sıvı metal kompozitler bükme, uzatılabilir ve sıkıştırılabilir. Bu, titreşim veya termal genişleme döngüleri geçiren arayüzler için ideal kılar - otomotiv elektronik ve uzay montajlarında eşler doldurabilir, yüksek montaj baskısını uygulamadan termal kontak direncini azaltırlar.

Kendini kınayan

En büyüleyici özelliklerinden biri kendi kendine özgüdür. Mekanik yorgunluk veya termal şok nedeniyle matrix çatlakları varsa, en yüksek sıvı metali çatlaklara girebilir, yeniden yapılandırılır, ısıtımı yolları - Bu, özellikle de ısıtıldıktan sonra orijinal ısı iletkenliğinin %90'ını genişletir.

Hafif Tasarım

Sıvı metal alaşımları, 6-7 g/cm3 civarında eşitsizliklere sahiptir, çelikle karşılaştırılabilir, ancak küçük hacimlerde kullanılır, genel kompozit ağırlık düşük kalır - eşdeğer bir performanstan daha az veya daha azına benzer.Uzman ve taşınabilir elektroniklerde, her gram önemli ölçüde azalır. 20-gram sıvı metal kompozitler, termal performansından ödün vermeden sistemi kütle azaltabilir.

Tunable Özellikler

Sıvı metalin hacim kısmını ayarlayarak, damlacık boyutu ve matrix materyali, mühendisler kompozitin termal iletkenliği, elektrik direnci, mekanik sertlik ve hatta optik şeffaflığı özelleştirebilir. Bu tunability, malzemenin geniş bir uygulama yelpazesine adapte olmasını sağlar, yüksek güç LED soğutmadan bataryaya kadar.

Uygulamaları Across Industries

Özel özelliklerin eşsiz kombinasyonu, birkaç talep eden sektör için uygun sıvı metal kompozitleri sağlar. Aşağıda en etkili mevcut ve ortaya çıkan kullanımları detaylandırır.

YüksekPerformance Electronics

Orta işlem birimleri (CPUs) ve grafik işleme birimleri (GPUs) veri merkezlerinde ve oyun PC'leri ısı fluxes'leri 200 W/cm2'yi aştılar. Geleneksel termal bisikletten sonra sık sık sık kuru veya pompalanırlar, sıvı metal kompozitler, yüksek performansları devam ederken bu riski hafifleten birleştirici bir optik arayüz sunar.

Elektrikli Araç Battery Termal Yönetimi

Lityum batarya paketleri, dar bir sıcaklık penceresinde en iyi şekilde çalışır (15-35 °C). Yüksek deşarj oranları önemli ısı yaratır ve eşitsiz sıcaklık dağılımını hızlandırır. Sıvı metal-lastomer pedleri, termal iletim ve mekanik yatakları sağlamak için batarya hücreleri arasında ısıtılabilir.Polonya şarj döngüsü sırasında piller.

Havacılık ve Uydu Soğutma

Uzayda, ısı sadece radyasyon yoluyla kaldırılabilir, bu nedenle verimli yayılma kritiktir. bir sonraki nesil uydu ısı kontrol sistemleri için sıvı metal kompozitler veya elektronik ve radyatörler arasındaki düşük arayüz materyalleri teşvik edebilir. Kendi kendine özgü mülkleri özellikle de vakum ve radyasyon ortamında değerlidir, onarımlar imkansız. Avrupa Uzay Ajansı önümüzdeki nesiller için önceden finanse edilen kablo kontrol sistemleri için patentli kompozitler için finanse edilebilir, düşük dış gazları ve uzun vadeli stabilitelerini teşvik eder.

Tıbbi Cihazlar

Yüksek çözünürlükte teşhis ekipmanı (MRI, CT tarayıcıları, ultrason) ve cerrahi lazerler hassas bileşenleri korumak ve hasta güvenliğini sağlamak için hassas sıcaklık kontrolü gerektirir. Sıvı metal kompozitler, manyetik alanlara müdahale etmeyen termal olarak kullanılabilir. (gallium) Ayrıca sınırlı tıbbi muhafazalara uygundur.

Giyilebilir ve Esnek Elektronik

Akıllıwatches, fitness grupları ve tıbbi yamalar sensörler ve işlemcilerden ısı üretiyor. Sert bir bakır ısı lavabo cihazı cihazı dökmek ve rahatsız edici hale getirecek. ince, esnek sıvı metal-elastomer filmi, performansı korumak için kullanıcı konforunu artırabilir. Bazı prototip esnek ekranları da bu kompozitleri sürüş elektronikleri için ısıtacaktır.

Anahtar Zorluklar Sıvı Metal Infüzyon Kompozitleri

Sözlerine rağmen, bu malzemeler yaygın ticari kabul görenden önce birkaç teknik ve üretim engeli aşılmalıdır.

Leakage ve Containment

En büyük endişe, kompozitlerden sıvı metal sızıntıdır. Eğer matrix çarpık veya bozulabilirse, galyum alaşımı kaçabilir, elektrik kısa devreleri ve korozyona neden olur.

Adjacent Materials

Gallium ve alaşımları, sıvı metal embrittlementi birçok metalde, özellikle alüminyum bir sıvı metal kompozit temaslar alüminyum ısı lavabo veya soğutma plakasını, galium sadece tahıl sınırları boyunca yayılabilir, bu nedenle felaket başarısızlık. Bu, alüminyum yüzeylerde nikel ile kaplama veya bakır-beryllium alaşımları kullanarak kaplamayı sınırlar, ancak bu maliyet ve ağırlık artışı sağlar. Başka bir yaklaşım sadece galyum bazlı kompozitler kullanmak için zordur.

İmalat Kompleksi ve Maliyet

Sıvı metal damlacıklarının ölçekdeki üniformalarını azaltmak zordur. Yüksek performanslı karıştırma, sıvı metale zarar verir, gramer ve termal özellikleri değiştiren ince bir katın oluşur. Kontrollü atmosfer işleme ve sörfçülerin kullanımı oxidasyonu azaltabilir, ancak karmaşıklıkta yapılır.

Elektriksel Davranış Riskleri

Çünkü galium alaşımları elektriksel olarak iletkendir, percolating ağlar, eğimli elektrik yolları, kısa devrelerin riskini artırabilir. Elektrik izolasyonunun gerekli olduğu uygulamalar için (örneğin, CPU'nun ölmesi ve ısı batması gibi) kompozitler yüksek elektrik direncini korumak zorundadır. Bu, sıvı metal damlacıkları izole etmek için elde edilebilir bir indüktördür, ancak bu termal iletkenliği azaltır.

Termal Bisiklet Stability

Tekrarlanan ısıtma ve soğutma sıvı metal ve matrix arasında ayrı bir genişlemeye neden olur. Zamanla, damlacıklar kömürleri olabilir, göç edebilir veya hatta matrixi kırar, yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte yüksek çözünürlükte bulunabilir.

Gelişen Araştırma ve Geliştirme Yollarını

Yukarıdaki zorluklarla başa çıkmak için, dünya çapında araştırmacılar birkaç umut verici avenues peşindeler.

Kalınlık-Skin Mühendislik

Karbonyum bazlı sıvı metaller üzerindeki spontan oksit derisi (birkaç nanometrenin son derece koruyucu bir bariyer olarak hareket eder ve elektrokimyasal potansiyelleri kontrol ederek, araştırmacılar, ultra yüksek termal iletkenlik için mikro ağları modüller yapabilirler.

Hierarchical and Hybrid Composites

Katı dolgularla sıvı metal damlacıklarını karıştırın (karbon nanotüpler, grafikene, bakır nanoteller) tek bir matrixte sinerjik etkiler yaratabilir.[DMS) Katı dolgular, sıvı metal damlacıkları ve çok katlı karbonları azaltıldığında bile, sıvı metal damlacıkları dolduran bir optik olarak, W5 / 4'ün bir çiftliği sağlarken, Doğa İletişiminde (FLT) bir PDMS'de çalışır.

Sıvı Metal Tabanlı Faz Değişim Malzeme

Bir diğer ortaya çıkan konsept, sıvı metal kompozitleri, bir polimer matrixinde faz değişikliği olarak kullanmaktır (PCMs), Gallium'un geçici yükler sırasında yüksek miktarda ısıya sahip olması ve uygun bir ısı için üst düzey enerji yönetiminde erimiş olabilir (~30 °C).

Katkı İmalatı Entegrasyonu

3D baskı, sıvı metal kanalları veya gradients ile özel olarak tasarlanmış termal yönetim bileşenlerinin bir yolunu sunar. Doğrudan sıvı metal-polimer karışımlarının yazılı olarak, uygun soğutma plakaları için kanıtlanmıştır. Bu, mühendislere doğrudan bir devre kuruluna baskı yapmalarına izin verebilir, baskı sürecinde sıvı metal sızıntısını önlemek için baskı çözümü korumaktır.

Tasdiman Metal Kompozitleri Konvansiyonel Çözümlerle Karşılaştırmak

Potansiyel etkisini anlamak için, bu malzemeleri üç ana termal yönetim teknolojileri ile karşılaştırmaya yardımcı olur:

  • [FONT:0] ⁇ Pastes/Greases:[Dönetici:0) Ucuz ve uygulamak kolay, ancak pompa-out, kuru-out ve 10 W /m'nin altındaki termal iletimler 2-5 × daha yüksek iletkenlik sunmuyor.
  • [FONT=0] ⁇ Gap Pads:[Dönetici:[Dönetici:0)) Katı metaller ile dolu elastomerlerin önceden bilgilendirilmiş çarşafları. Bunlar elektriksel olarak 5 W /m •K. Sıvı metal kompozitleri altında 5 W /m·K.
  • [FONT:0]Copper Heat spreaders:[Dönekli yüksek iletkenlik, ancak sert, ağır ve düz yüzeyler ısılı yapıştırıcı arayüz ile donatılmıştır. Sıvı metal kompozitler daha hafiftir ve sabit olmayan geometrilere uygun olabilir (~400 W/m·K).

Seçim, belirli termal bütçeye, mekanik kısıtlamalara ve maliyet hedeflerine bağlıdır. ultra yüksek uç uygulamalar için (örneğin, sunucu CPUs, lazer diyotları), sıvı metal kompozitler her iki sal ve ısı yayılabilir, maliyet azaltımları gereklidir.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Sıvı metalik bileşikler, malzeme bilimi, termodinamik ve üretim inovasyonu düzenleme konusunda öne çıkıyorlar. Bu malzemeler esnek, kendi kendine özgü, hafif bir inşaat, modern teknolojinin büyüyen ısı dağılımı taleplerini karşılamak için eşsiz bir şekilde uygun hale getiriyor.

Bununla birlikte, önemli engeller kalır: sızıntı önleme, malzeme uyumluluk, ölçeklenebilir üretim ve maliyet. Önümüzdeki beş ila on yıl içinde bu malzemeleri araştırma laboratuvarlarından ticari yönetim ürünlerine kadar sürekli olarak optimize etmek, potansiyel olarak, mühendislerin tasarım aşamasında ısı dağılımı hakkında düşünmesini sağlamak.