Знание - Sanxin

Трудност на традиционните материали за разсейване на топлината

 

No.1

„Състезанието за разсейване на топлина“ между алуминий и мед

През дългата история на материалите за разсейване на топлина, алуминият и медта винаги са били двамата най-важни играчи. Медта, с топлопроводимост до 401 W/(m-K), отдавна заема водещо място по отношение на ефективността на разсейване на топлината сред различните материали. Тази изключителна топлопроводимост позволява на медта бързо да отвежда топлината, което я прави идеален избор за висок клас електронни устройства, прецизни инструменти и високопроизводителни автомобилни двигатели, където ефективността на разсейване на топлината е от първостепенно значение.

 

Медта обаче не е без своите недостатъци. Плътността ѝ от 8.96 g/cm³ е доста висока, което значително увеличава общото тегло на устройствата, използващи мед като материал за разсейване на топлината. В приложения със строги ограничения на теглото, като например аерокосмическата индустрия, прекалено тежките компоненти за разсейване на топлината несъмнено биха увеличили натоварването на самолетите, намалявайки тяхната производителност и ефективност. Освен това медта е сравнително скъпа, приблизително три пъти по-висока от цената на алуминия, което прави мащабното използване на мед като материал за разсейване на топлината недостъпно и силно ограничава приложението ѝ в чувствителни към разходите области.

 

Сега нека разгледаме алуминия. С плътност от само 2.7 g/cm³С около една трета от медта, алуминият естествено има предимство в съвременните индустрии, които се стремят към леки конструкции. Тъй като електронните устройства продължават да стават все по-тънки и по-леки, алуминият може ефективно да намали теглото им, подобрявайки тяхната преносимост и работоспособност. Освен това, алуминият е сравнително евтин, което му дава значително предимство по отношение на разходите при мащабно производство и приложение, което го прави предпочитан избор за много предприятия при контролиране на разходите.

 

Топлопроводимостта на алуминия обаче е сравнително ниска, само 237 W/(m-K). Когато се работи с големи количества топлина, генерирани от устройства с висока мощност, капацитетът на алуминия за разсейване на топлината е донякъде недостатъчен. Ако топлината, генерирана по време на работа на устройството, не може да бъде разсеяна своевременно и ефективно, това ще доведе до повишаване на температурата на устройството, което ще повлияе на неговата производителност и стабилност и потенциално ще съкрати живота му.

 

Очевидно е, че медта и алуминият имат различни предимства и недостатъци по отношение на производителността на разсейване на топлината и цената, което създава дилема, при която човек не може да има едновременно „рибешка и меча лапа“. Тази дилема става все по-очевидна в днешните бързо развиващи се технологии, което води до спешна нужда от нови материали за разсейване на топлината. Хората са нетърпеливи за материал, който съчетава високата топлопроводимост на медта с леките и евтини предимства на алуминия, за да отговори на по-високите изисквания към материалите за разсейване на топлината в постоянно развиващите се индустриални и технологични области.

 

№ 2 Пробивът на пянометала

Точно когато традиционните материали за разсейване на топлината бяха изправени пред дилема между производителност и цена, появата на пянови метали, като алуминиева пяна и медна пяна, беше като лъч светлина, носейки нова надежда и пробиви в областта на разсейването на топлината. Тези нови материали успешно пробиха границите на производителност на традиционните материали, като изградиха уникална триизмерна пореста структура в металната матрица, като по този начин отвориха нова глава в материалите за разсейване на топлина.

Алуминиевата пяна и медната пяна имат изключително висока порьозност, варираща от 80% до 99%, което означава, че в тях има голям брой равномерно разпределени пори. Наличието на тези пори прави структурата на материала лека, значително намалявайки теглото му, като същевременно запазва отличната топлопроводимост на металната матрица. Това е като гениално издълбани безброй малки „вентилационни тунели“ в солидна метална крепост, което не само не влияе на здравината и топлопроводимостта на самия метал, но и прави цялата структура по-лека и по-дишаща.

Този уникален структурен дизайн носи и друго важно предимство - висока специфична повърхност. Благодарение на вътрешните пори, повърхностната площ на алуминиевата пяна и медната пяна е значително увеличена, което увеличава и контактната им площ с околната среда. Когато топлината се предава към повърхността на материала, той може да я обменя с външния свят по-бързо, като по този начин значително подобрява ефективността на разсейване на топлината. Това е като разширяването на малък радиатор в огромна мрежа за разсейване на топлината, което позволява топлината да се разсейва в околното пространство по-бързо и ефективно да се понижи температурата на оборудването.

Чрез тази иновация от „твърдо“ към „поресто“, алуминиевата пяна и медната пяна постигнаха баланс между ефективността на разсейване на топлината и цената на материала. Те не са нито толкова скъпи и тежки, колкото медта, нито пък са толкова лоши в ефективността на разсейване на топлината, колкото алуминият. Вместо това, те комбинират предимствата и на двете и компенсират недостатъците им, превръщайки се в „революционери“ в областта на разсейването на топлината. С непрекъснатото развитие на технологиите и задълбочените изследвания на материалите от пянометални материали се смята, че те ще играят още по-важна роля в бъдещето на областта на разсейването на топлината и ще осигурят солидна гаранция за ефективната работа на различни устройства с висока мощност. ThermalLink

 

 

Основните предимства на 2 алуминиева пяна / медна пяна

№1 Лека и високоякостна

В съвременната индустриална среда, където стремежът към максимална производителност и лекота е от първостепенно значение, алуминиевата пяна и медната пяна са се превърнали в звездни материали благодарение на удивителните си свойства на лекота и висока якост.

Нека първо разгледаме удивителното им намаляване на плътността. Плътността на алуминиевата пяна варира от 0.27 до 1.62 g/cm³, което означава какво? Плътността му е едва 10% до 60% от плътността на твърдия алуминий, сякаш е облечен в леко „балонче“, което мигновено намалява теглото му. Плътността на медната пяна е приблизително 1.79 до 5.38 g/cm³, също значително по-ниска от плътността на плътната мед, само с 20% до 60% от нейната плътност. Това ги прави идеален избор на материали в области, където теглото е изключително чувствително, като например превозни средства с нови енергийни източници и аерокосмическата индустрия.

Вземете за пример превозните средства с нова енергия. Лекото тегло на превозното средство играе ключова роля за увеличаване на пробега и намаляване на консумацията на енергия. Използването на алуминиева пяна за направата на компоненти за разсейване на топлината на превозните средства, като охладители на батерии и корпуси на двигатели, не само ефективно намалява теглото на превозното средство, но и подобрява ефективността на разсейване на топлината, като гарантира, че батерията и двигателят работят ефективно, като същевременно удължават живота си, като по този начин подобряват производителността и конкурентоспособността на превозното средство. В аерокосмическата област всеки грам намаление на теглото може да доведе до по-висока ефективност на полета и по-дълъг обхват на самолетите. Приложението на алуминиева пяна и медна пяна осигурява силна подкрепа за лекия дизайн на аерокосмическото оборудване, помагайки на човечеството да изследва по-широки космически пространства.

Освен че са леки, тяхната специфична якост също е изключителна. Порестата структура на тези материали, като същевременно намалява теглото си, постига забележително увеличение от 30% до 50% на специфичната якост (якост/плътност) в сравнение с твърдите метали чрез гениална оптимизация на размера на порите (0.01 до 0.5 мм) и разпределението им. Това означава, че те поддържат добра якост, като същевременно значително намаляват теглото си, постигайки реално намаляване на теглото без компромис с производителността. В някои конструкции за разсейване на топлината, които трябва да издържат на определено налягане и вибрации, алуминиевата пяна/медната пяна, с високата си специфична якост, не само ефективно провеждат топлината, но и осигуряват надеждна структурна опора за оборудването, осигурявайки стабилна работа в сложни работни среди.

№2 Високоефективно разсейване на топлината

Появата на алуминиева пяна и медна пяна в областта на разсейването на топлината се дължи до голяма степен на изключителните им характеристики на разсейване на топлината. Тяхната уникална триизмерна пореста структура действа като мощен „двигател за разсейване на топлината“, осигурявайки ефикасен канал за бързо разсейване на топлината.

Тази взаимосвързана пореста структура е подобна на щателно изградена „магистрала за термичен поток“. От една страна, през металната рамка топлината може да се провежда с изключително висока скорост. Топлопроводимостта на медната пяна може да достигне 150-300 W/(m-K), а тази на алуминиевата пяна може да достигне 50-150 W/(m-K), далеч превъзхождайки много традиционни материали по отношение на топлопроводимостта. От друга страна, наличието на пори значително увеличава контактната площ между материала и въздуха, като специфичната повърхност е 5-10 пъти по-висока от тази на твърдите материали. Когато топлината достигне повърхността на порите, въздухът може бързо да обмени топлина с нея, образувайки силно конвективно разсейване на топлината. Точно както отварянето на прозорец в горещ летен ден, за да се осигури циркулация на въздуха и бързо понижаване на вътрешната температура, порестата структура на алуминиевата пяна/медната пяна ускорява разсейването на топлината към околната среда, като по този начин се постига високоефективно разсейване на топлината.

В електронните устройства проблемите с разсейването на топлината винаги са били ключов фактор, ограничаващ подобряването на тяхната производителност. Вземайки за пример разсейването на топлината на електронните устройства, медните радиатори с пяна са демонстрирали изключителна производителност при мощност 80 W. В сравнение с традиционните алуминиеви радиатори, тяхното термично съпротивление е намалено с 20%-30%, което означава, че топлината може да се разпределя по-плавно и температурата на устройството може да се контролира по-ефективно. Освен това, медните радиатори с пяна имат по-добра адаптивност към скоростта на вятъра. В среди с ниска скорост на вятъра ефективността на разсейване на топлината е особено подобрена. В някои електронни устройства с високи изисквания за контрол на шума, работата при ниска скорост на вятъра е често срещана. В такива моменти медните радиатори с пяна могат да се възползват напълно от своите предимства, като осигуряват ефективност на разсейване на топлината, като същевременно намаляват скоростта на вентилатора и генерирането на шум, осигурявайки на потребителите по-тихо и по-стабилно потребителско изживяване.

№ 3 Цена и процес

Някога новите материали често бяха ограничени до дребномащабни приложения във висок клас области поради сложните им процеси на подготовка и високите разходи, подобно на недостижими „луксозни стоки“. Алуминиевата пяна и медната пяна обаче постигнаха значителен пробив по отношение на разходите и процеса, като постепенно се трансформираха от възвишени „луксозни стоки“ в обещаващи „стоки“ с широк потенциал за приложение.

По отношение на цената на материалите, въпреки че медната пяна е по-скъпа от алуминиевата пяна, тя все пак намалява разходите с 30% до 50% в сравнение с плътната мед. Това прави медната пяна по-рентабилен избор в области, където има определени ценови ограничения, но високи изисквания за ефективност на разсейване на топлината. Ценовото предимство на алуминиевата пяна е още по-изразено, като представлява само 1/5 до 1/3 от плътната мед. В мащабни приложения тя може да спести на предприятията значителни разходи за материали. За малките и средни предприятия, които се стремят към ниски разходи и висока ефективност, алуминиевата пяна несъмнено е предпочитаният избор за материали за разсейване на топлината. Тя не само отговаря на изискванията на предприятията за ефективност на разсейване на топлината на продукта, но и осигурява силна подкрепа за контрол на разходите.

По отношение на процеса на подготовка, технологичният напредък донесе нови възможности за разработването на алуминиева и медна пяна. Чрез усъвършенствани техники като разтопяване (за алуминиева пяна) и галванично покритие (за медна пяна), хората могат прецизно да контролират порьозността и размера на порите на материалите, за да отговорят на нуждите на различни сценарии за разсейване на топлината. При разсейване на топлината на електронни устройства, порестата структура на алуминиевата/медната пяна може да бъде прецизно регулирана според мощността на генериране на топлина от чипа и ограниченията на пространството, за да се постигне най-добър ефект на разсейване на топлината. Тези процеси на подготовка също така имат предимството на партидно производство, което може да отговори на изискванията на мащабното промишлено производство и да насърчи широкото приложение на алуминиева и медна пяна в различни области. С разширяването на мащаба на производството разходите ще намалеят допълнително, полагайки солидна основа за по-широкото им приложение в повече области. ThermalLink

 

 

Овластяване чрез разнообразни сценарии 3

№1 Електронно информационно поле

В областта на електронната информация, с бързото развитие на технологиите, интеграцията на оборудването става все по-висока, а плътността на мощността също се е увеличила значително. Това прави разсейването на топлината ключов фактор, ограничаващ производителността и надеждността на оборудването. Алуминиевата пяна и медната пяна, с отличните си характеристики на разсейване на топлината и лекото си тегло, играят важна роля в тази област и са се превърнали в мощни оръжия за справяне с предизвикателствата на генерирането на топлина с висока плътност.

В 5G базовите станции, голямо количество обработка на сигнали и предаване на данни генерира огромно количество топлина. Плътността на мощността на 5G базовите станции е няколко пъти по-висока от тази на 4G базовите станции, а традиционните материали и технологии за разсейване на топлината трудно отговарят на изискванията за разсейване на топлината. Появата на радиатори от пяна от мед предлага ефективно решение на този проблем. Радиаторите от пяна от мед имат висока топлопроводимост и висока специфична повърхност, което им позволява бързо да прехвърлят генерираната от чиповете топлина и в комбинация с топлопроводни структури ефективно да разсейват топлината в околната среда. В практически приложения, една 5G базова станция използва решение за разсейване на топлината, комбиниращо радиатори от пяна от мед и топлопроводи, като успешно поддържа температурата на съединението на чиповете в безопасен диапазон, осигурявайки стабилна работа на оборудването и значително подобрявайки качеството на комуникацията и надеждността на базовата станция.

В областта на потребителската електроника, устройства като лаптопи и мобилни телефони, въпреки че се стремят към висока производителност, имат и по-високи изисквания за лекота и преносимост. Приложението на модули за разсейване на топлината от пяна и алуминий отговаря добре на това търсене. В сравнение с традиционните медни решения за разсейване на топлината, теглото на модулите за разсейване на топлината от пяна и алуминий е намалено с 40%, което намалява общото тегло на лаптопите и мобилните телефони и подобрява тяхната преносимост. Освен това, модулите за разсейване на топлината от пяна и алуминий също имат добри показатели за разсейване на топлината и могат да отговорят на изискванията за разсейване на топлината на ултратънки тела. В един ултратънък лаптоп са използвани модули за разсейване на топлината от пяна и алуминий, за да се постигне ефективно разсейване на топлината в ограничено пространство, осигурявайки температурна стабилност на процесора при работа с високо натоварване и подобрявайки потребителското изживяване.

№2 Превозни средства с нова енергия

Като важна насока за бъдещото развитие на транспорта, производителността и безопасността на „трите електрически“ системи (батерия, двигател и електронно управление) на превозните средства с нова енергия пряко влияят върху цялостната производителност и надеждност на превозното средство. Пяната от алуминий и пяната от мед играят ключова роля в разсейването на топлината в „трите електрически“ системи на превозните средства с нова енергия, осигурявайки тяхната безопасна и ефективна работа.

В батерията се генерира голямо количество топлина по време на процеса на зареждане и разреждане. Ако тази топлина не може да се разсее своевременно и ефективно, това ще доведе до прекомерно повишаване на температурата на батерията, което ще повлияе на производителността и живота на батерията и дори ще доведе до инциденти, свързани с безопасността. Термоподложките от пяна и алуминий имат отлична топлопроводимост и гъвкавост, което им позволява да прилепнат плътно към повърхността на клетките на батерията и равномерно да провеждат топлината, генерирана от клетките. В комбинация със система за течно охлаждане, термоподложките от пяна и алуминий могат да поддържат температурната разлика в батерията в рамките на... ±2°C, ефективно предотвратявайки локалното прегряване. Определена марка превозни средства с нова енергия е внедрила решение за управление на температурата, комбиниращо термо подложки от пяна и алуминий и система за течно охлаждане в батерията си. Чрез реални тестове, това решение значително е подобрило ефективността на зареждане и разреждане и живота на батерията, като същевременно е подобрило нейната безопасност и е намалило риска от термично прегряване.

За задвижващия мотор и електронната система за управление, медните радиатори с пяна също се представят изключително добре. Задвижващият мотор генерира голямо количество топлина по време на работа и изисква своевременно разсейване на топлината, за да се осигури ефективна и стабилна работа. Медните радиатори с пяна имат висока топлопроводимост и компактна структура, което позволява ефективно разсейване на топлината в ограничено пространство. В едно електрическо превозно средство, задвижващият мотор, оборудван с меден радиатор с пяна, поддържа ефективен контрол на температурата по време на непрекъсната работа при високи температури, увеличавайки плътността на мощността и по този начин подобрявайки пробега и мощността на превозното средство. Като „мозък“ на превозните средства с нова енергия, електронната система за управление също има строги изисквания за разсейване на топлината. Медните радиатори с пяна могат бързо да разсейват топлината в електронната система за управление, като гарантират, че електронните компоненти работят в нормален температурен диапазон, подобрявайки надеждността и стабилността на електронната система за управление.

 

№3 Промишленост и аерокосмическа индустрия

В областта на промишлеността и аерокосмическата индустрия, оборудването често трябва да работи в екстремни условия, като високи температури, високо налягане, висока радиация и екстремни температурни разлики. Алуминиевата пяна и медната пяна, с отличните си характеристики на разсейване на топлината, устойчивост на високи температури и леко тегло, са се превърнали в предпочитани материали за разсейване на топлината в тези екстремни условия.

В промишленото оборудване, мощните лазери и силовите електронни устройства генерират голямо количество топлина по време на работа, а температурата на работната среда е сравнително висока, което налага изключително строги изисквания към производителността на материалите за разсейване на топлината. Модулите за разсейване на топлина от пяна могат да издържат на високи температури от 200-300°F (200-300°F).°C и имат по-добра устойчивост на корозия от традиционните материали. В определен високомощен лазер е използван модул за разсейване на топлината от пяна от алуминий, който ефективно решава проблема с разсейването на топлината по време на дългосрочната работа на лазера и осигурява стабилност на лазерния изход и качеството на лъча. В силовите електронни устройства модулите за разсейване на топлината от пяна от мед могат бързо да разсейват топлината, генерирана от силовите компоненти, подобрявайки ефективността и надеждността на устройството и намалявайки появата на повреди, причинени от прегряване.