Znanje - Sanxin

Usko grlo tradicionalnih materijala za odvođenje topline

 

No.1

"Natjecanje u odvođenju topline" između aluminija i bakra

Kroz dugu povijest materijala za odvođenje topline, aluminij i bakar su oduvijek bili dva najistaknutija igrača. Bakar, sa svojom toplinskom vodljivošću do 401 W/(m·K), dugo je držao vodeće mjesto u pogledu performansi odvođenja topline među raznim materijalima. Ova izvanredna toplinska vodljivost omogućuje bakru brzo odvođenje topline, što ga čini idealnim izborom za vrhunske elektroničke uređaje, precizne instrumente i visokoučinkovite automobilske motore gdje je učinkovitost odvođenja topline od najveće važnosti.

 

Međutim, bakar nije bez nedostataka. Njegova gustoća od 8.96 g/cm³ je prilično visoka, što značajno povećava ukupnu težinu uređaja koji koriste bakar kao materijal za odvođenje topline. U primjenama sa strogim ograničenjima težine, kao što je zrakoplovna industrija, preteške komponente za odvođenje topline nesumnjivo bi povećale opterećenje zrakoplova, smanjujući njihove performanse i učinkovitost. Štoviše, bakar je relativno skup, otprilike tri puta skuplji od aluminija, što čini masovnu upotrebu bakra kao materijala za odvođenje topline nedostupnom i ozbiljno ograničava njegovu primjenu u područjima osjetljivim na troškove.

 

Sada pogledajmo aluminij. S gustoćom od samo 2.7 g/cm³, otprilike trećinu težine bakra, aluminij prirodno ima prednost u modernim industrijama koje teže laganim dizajnima. Kako elektronički uređaji postaju sve tanji i lakši, aluminij može učinkovito smanjiti težinu uređaja, poboljšavajući njihovu prenosivost i operativnost. Osim toga, aluminij je relativno jeftin, što mu daje značajnu prednost u troškovima u proizvodnji i primjeni velikih razmjera, što ga čini preferiranim izborom za mnoga poduzeća pri kontroli troškova.

 

Međutim, toplinska vodljivost aluminija je relativno niska, samo 237 W/(m·K). Prilikom rada s velikim količinama topline koju stvaraju uređaji velike snage, kapacitet odvođenja topline aluminija je donekle neadekvatan. Ako se toplina stvorena tijekom rada uređaja ne može pravovremeno i učinkovito odvesti, to će uzrokovati porast temperature uređaja, što će utjecati na njegove performanse i stabilnost te potencijalno skratiti njegov vijek trajanja.

 

Očito je da bakar i aluminij imaju različite prednosti i nedostatke u pogledu performansi odvođenja topline i troškova, stvarajući dilemu gdje se ne može imati i "riba i medvjeđa šapa". Ova dilema postaje sve istaknutija u današnjoj brzo napredujućoj tehnologiji, što potiče hitnu potrebu za novim materijalima za odvođenje topline. Ljudi žele materijal koji kombinira visoku toplinsku vodljivost bakra s laganim i jeftinim prednostima aluminija kako bi zadovoljio više zahtjeve za materijalima za odvođenje topline u stalno promjenjivim industrijskim i tehnološkim područjima.

 

Br. 2 Proboj pjenastog metala

Baš kada su se tradicionalni materijali za odvođenje topline našli u dilemi između performansi i cijene, pojava pjenastih metala poput aluminijske pjene i bakrene pjene bila je poput zrake svjetlosti, donoseći novu nadu i napredak u područje odvođenja topline. Ovi novi materijali uspješno su probili granice performansi tradicionalnih materijala izgradnjom jedinstvene trodimenzionalne porozne strukture u metalnoj matrici, čime su otvorili novo poglavlje u materijalima za odvođenje topline.

Aluminijska pjena i bakrena pjena imaju izuzetno visoku poroznost, u rasponu od 80% do 99%, što znači da unutar njih postoji veliki broj pora ravnomjerno raspoređenih. Postojanje tih pora čini strukturu materijala laganom, značajno smanjujući težinu materijala uz zadržavanje izvrsne toplinske vodljivosti metalne matrice. To je kao da se u čvrstoj metalnoj tvrđavi domišljato isklesaju bezbrojni sitni "ventilacijski tuneli", što ne samo da ne utječe na čvrstoću i toplinsku vodljivost samog metala, već i čini cijelu strukturu lakšom i prozračnijom.

Ovaj jedinstveni strukturni dizajn donosi i još jednu važnu prednost - visoku specifičnu površinu. Zbog unutarnjih pora, površina aluminijske pjene i bakrene pjene znatno se povećava, povećavajući njihovu kontaktnu površinu s okolnim prostorom. Kada se toplina prenosi na površinu materijala, on može brže izmjenjivati ​​toplinu s vanjskim svijetom, čime se uvelike poboljšava učinkovitost odvođenja topline. To je kao proširenje malog hladnjaka u ogromnu mrežu za odvođenje topline, što omogućuje brže odvođenje topline u okolni prostor i učinkovito snižavanje temperature opreme.

Ovom inovacijom od "čvrstog" do "poroznog", aluminijska pjena i bakrena pjena postigle su ravnotežu između učinkovitosti odvođenja topline i cijene materijala. Nisu ni skupe i teške kao bakar, niti im nedostaju performanse odvođenja topline kao aluminiju. Umjesto toga, kombiniraju prednosti oba i nadoknađuju njihove nedostatke, postajući "prekretnice" u području odvođenja topline. S kontinuiranim napretkom tehnologije i dubinskim istraživanjem materijala od pjenastog metala, vjeruje se da će igrati još važniju ulogu u budućem području odvođenja topline i pružiti čvrsto jamstvo za učinkovit rad raznih uređaja velike snage. ThermalLink

 

 

Glavne prednosti 2 aluminijske pjene / bakrene pjene

Br. 1 Lagan i visoke čvrstoće

Na modernoj industrijskoj sceni gdje je težnja za vrhunskim performansama i malom težinom od najveće važnosti, aluminijska pjena i bakrena pjena postale su zvjezdani materijali zbog svoje nevjerojatno male težine i visoke čvrstoće.

Prvo pogledajmo njihovo zapanjujuće smanjenje gustoće. Gustoća aluminijske pjene kreće se od 0.27 do 1.62 g/cm³, što znači što? To je samo 10% do 60% gustoće čvrstog aluminija, kao da je obučen u lagani "mjehurićasti sloj", što trenutno smanjuje njegovu težinu. Gustoća bakrene pjene je približno 1.79 do 5.38 g/cm³, također znatno niža od gustoće čistog bakra, sa samo 20% do 60% njegove gustoće. To ih čini idealnim izborom materijala u područjima gdje je težina izuzetno osjetljiva, kao što su vozila s novim izvorima energije i zrakoplovstvo.

Uzmimo za primjer vozila s novim izvorima energije. Mala težina vozila igra ključnu ulogu u povećanju dometa vožnje i smanjenju potrošnje energije. Korištenje aluminijske pjene za izradu komponenti vozila za odvođenje topline, poput hladnjaka baterija i kućišta motora, ne samo da učinkovito smanjuje težinu vozila, već i poboljšava učinkovitost odvođenja topline, osiguravajući učinkovit rad baterije i motora, a istovremeno produžuje njihov vijek trajanja, čime se poboljšavaju performanse i konkurentnost vozila. U zrakoplovnom području, svaki gram smanjenja težine može donijeti veću učinkovitost leta i veći domet zrakoplova. Primjena aluminijske pjene i bakrene pjene pruža snažnu podršku laganom dizajnu zrakoplovne opreme, pomažući čovječanstvu da istraži šire kozmičke prostore.

Osim što su lagani, njihova specifična čvrstoća je također izvanredna. Porozna struktura ovih materijala, uz smanjenje težine, postiže izvanredno povećanje specifične čvrstoće (čvrstoća / gustoća) od 30% do 50% u odnosu na čvrste metale kroz domišljatu optimizaciju veličine pora (0.01 do 0.5 mm) i raspodjele pora. To znači da održavaju dobru čvrstoću uz značajno smanjenje težine, doista postižući smanjenje težine bez žrtvovanja performansi. U nekim strukturama za odvođenje topline koje moraju izdržati određeni tlak i vibracije, aluminijska pjena / bakrena pjena mogu, sa svojom visokom specifičnom čvrstoćom, ne samo učinkovito provoditi toplinu već i pružiti pouzdanu strukturnu potporu za opremu, osiguravajući stabilan rad u složenim radnim okruženjima.

Br. 2 Visokoučinkovito odvođenje topline

Pojava aluminijske pjene i bakrene pjene u području odvođenja topline uvelike se pripisuje njihovim izvanrednim performansama odvođenja topline. Njihova jedinstvena trodimenzionalna porozna struktura djeluje poput snažnog "motora za odvođenje topline", pružajući učinkovit kanal za brzo odvođenje topline.

Ova međusobno povezana struktura pora slična je pomno konstruiranoj "toplinskoj autocesti". S jedne strane, kroz metalni okvir toplina se može provoditi izuzetno velikom brzinom. Toplinska vodljivost bakrene pjene može doseći 150-300 W/(m·K), a aluminijska pjena može doseći 50-150 W/(m·K), što daleko nadmašuje mnoge tradicionalne materijale u pogledu performansi provođenja topline. S druge strane, prisutnost pora značajno povećava kontaktnu površinu između materijala i zraka, sa specifičnom površinom 5-10 puta većom od one kod čvrstih materijala. Kada toplina dosegne površinu pora, zrak može brzo izmjenjivati ​​toplinu s njom, stvarajući snažno konvektivno odvođenje topline. Baš kao što se otvara prozor u vrućem ljetnom danu kako bi se omogućila cirkulacija zraka i brzo snizila unutarnja temperatura, struktura pora aluminijske pjene/bakrene pjene ubrzava odvođenje topline u okolni prostor, čime se postiže visokoučinkovito odvođenje topline.

U elektroničkim uređajima, problemi s odvođenjem topline oduvijek su bili ključni faktor koji je ograničavao poboljšanje njihovih performansi. Uzimajući za primjer odvođenje topline elektroničkih uređaja, hladnjaci s bakrenim pjenastim rebrima pokazali su izvanredne performanse pri snazi ​​od 80 W. U usporedbi s tradicionalnim hladnjacima s aluminijskim rebrima, njihov toplinski otpor smanjen je za 20%-30%, što znači da se toplina može glatko provoditi, a temperatura uređaja se može učinkovitije kontrolirati. Štoviše, hladnjaci s bakrenim pjenastim rebrima imaju veću prilagodljivost brzini vjetra. U okruženjima s niskom brzinom vjetra, njihova učinkovitost odvođenja topline je posebno poboljšana. U nekim elektroničkim uređajima s visokim zahtjevima za kontrolu buke, uobičajen je rad pri niskoj brzini vjetra. U takvim vremenima, hladnjaci s bakrenim pjenastim rebrima mogu u potpunosti iskoristiti svoje prednosti, osiguravajući učinkovitost odvođenja topline uz smanjenje brzine ventilatora i stvaranja buke, pružajući korisnicima tiše i stabilnije iskustvo korištenja.

Br. 3 Trošak i proces

Nekada su novi materijali često bili ograničeni na primjenu u malom opsegu u vrhunskim područjima zbog složenih procesa pripreme i visokih troškova, slično nedostižnoj "luksuznoj robi". Međutim, aluminijska pjena i bakrena pjena ostvarile su značajan napredak u smislu troškova i procesa, postupno se transformirajući iz uzvišene "luksuzne robe" u obećavajuću "robu" sa širokim potencijalom primjene.

Što se tiče troškova materijala, iako je bakrena pjena skuplja od aluminijske pjene, i dalje smanjuje troškove za 30% do 50% u usporedbi s punim bakrom. To čini bakrenu pjenu isplativijim izborom u područjima gdje postoje određena ograničenja troškova, ali visoki zahtjevi za performanse odvođenja topline. Prednost troškova aluminijske pjene još je izraženija, budući da sadrži samo 1/5 do 1/3 punog bakra. U velikim primjenama, poduzećima može uštedjeti značajne troškove materijala. Za mala i srednja poduzeća koja teže niskim troškovima i visokoj učinkovitosti, aluminijska pjena je nesumnjivo preferirani izbor materijala za odvođenje topline. Ne samo da zadovoljava zahtjeve poduzeća za performanse odvođenja topline proizvoda, već i pruža snažnu podršku u kontroli troškova.

Što se tiče procesa pripreme, tehnološki napredak donio je nove mogućnosti za razvoj aluminijske i bakrene pjene. Pomoću naprednih tehnika poput pjenjenja taline (za aluminijsku pjenu) i galvanizacije (za bakrenu pjenu), ljudi mogu precizno kontrolirati poroznost i veličinu pora materijala kako bi zadovoljili potrebe različitih scenarija odvođenja topline. Kod odvođenja topline elektroničkih uređaja, struktura pora aluminijske/bakrene pjene može se precizno prilagoditi prema snazi ​​​​stvaranja topline čipa i ograničenjima prostora kako bi se postigao najbolji učinak odvođenja topline. Ovi procesi pripreme također imaju prednost serijske proizvodnje, koja može zadovoljiti zahtjeve industrijske proizvodnje velikih razmjera i potaknuti široku primjenu aluminijske i bakrene pjene u raznim područjima. Kako se opseg proizvodnje širi, troškovi će se dodatno smanjivati, postavljajući čvrste temelje za njihovu širu primjenu u više područja. ThermalLink

 

 

Osnaživanje kroz različite scenarije 3

Elektroničko informacijsko polje br. 1

U području elektroničkih informacija, s brzim razvojem tehnologije, integracija opreme postaje sve veća, a gustoća snage se također značajno povećala. Zbog toga je odvođenje topline ključni faktor koji ograničava performanse i pouzdanost opreme. Pjenasti aluminij i pjenasti bakar, sa svojim izvrsnim performansama odvođenja topline i laganim karakteristikama, igraju značajnu ulogu u ovom području i postali su moćno oružje za rješavanje izazova stvaranja topline visoke gustoće.

U 5G baznim stanicama, velika količina obrade signala i prijenosa podataka generira ogromnu količinu topline. Gustoća snage 5G baznih stanica nekoliko je puta veća od 4G baznih stanica, a tradicionalni materijali i tehnologije za odvođenje topline teško zadovoljavaju njihove zahtjeve za odvođenjem topline. Pojava hladnjaka od pjenastog bakra pruža učinkovito rješenje za ovaj problem. Hladnjaci od pjenastog bakra imaju visoku toplinsku vodljivost i veliku specifičnu površinu, što im omogućuje brz prijenos topline koju stvaraju čipovi i, u kombinaciji sa strukturama toplinskih cijevi, učinkovito raspršuju toplinu u okolni okoliš. U praktičnim primjenama, određena 5G bazna stanica usvojila je rješenje za odvođenje topline kombinirajući hladnjake od pjenastog bakra i toplinske cijevi, uspješno održavajući temperaturu spoja čipova unutar sigurnog raspona, osiguravajući stabilan rad opreme i značajno poboljšavajući kvalitetu komunikacije i pouzdanost bazne stanice.

U području potrošačke elektronike, uređaji poput prijenosnih računala i mobilnih telefona, uz visoke performanse, imaju i veće zahtjeve za lakoćom i prenosivošću. Primjena modula za odvođenje topline od pjenastog aluminija dobro zadovoljava taj zahtjev. U usporedbi s tradicionalnim rješenjima za odvođenje topline od bakra, težina modula za odvođenje topline od pjenastog aluminija smanjena je za 40%, što smanjuje ukupnu težinu prijenosnih računala i mobilnih telefona te poboljšava njihovu prenosivost. Štoviše, moduli za odvođenje topline od pjenastog aluminija također imaju dobre performanse odvođenja topline i mogu zadovoljiti zahtjeve za odvođenjem topline ultra tankih tijela. U određenom ultra tankom prijenosnom računalu, moduli za odvođenje topline od pjenastog aluminija korišteni su za postizanje učinkovitog odvođenja topline unutar ograničenog prostora, osiguravajući temperaturnu stabilnost procesora pod velikim opterećenjem i poboljšavajući korisničko iskustvo.

Vozila br. 2 na novu energiju

Kao važan smjer za budući razvoj prometa, performanse i sigurnost "tri električna" sustava (baterija, motor i elektroničko upravljanje) vozila s novim energetskim pogonom izravno utječu na ukupne performanse i pouzdanost vozila. Pjenasti aluminij i pjenasti bakar igraju ključnu ulogu u odvođenju topline u "tri električna" sustava vozila s novim energetskim pogonom, osiguravajući njihov siguran i učinkovit rad.

U bateriji se tijekom punjenja i pražnjenja stvara velika količina topline. Ako se ta toplina ne može pravovremeno i učinkovito raspršiti, to će uzrokovati pretjerani porast temperature baterije, što će utjecati na performanse i vijek trajanja baterije, pa čak i dovesti do sigurnosnih nezgoda. Termalni jastučići od pjenastog aluminija imaju izvrsnu toplinsku vodljivost i fleksibilnost, što im omogućuje da čvrsto prianjaju uz površinu baterijskih ćelija i ravnomjerno provode toplinu koju stvaraju ćelije. U kombinaciji s tekućim sustavom hlađenja, termalni jastučići od pjenastog aluminija mogu održati temperaturnu razliku unutar baterijskog paketa unutar ±2°C, učinkovito sprječavajući lokalno pregrijavanje. Određena marka vozila na novi pogon usvojila je rješenje za upravljanje toplinom koje kombinira termalne pločice od pjenastog aluminija i sustav tekućeg hlađenja u svom baterijskom paketu. Stvarnim testiranjem, ovo rješenje značajno je poboljšalo učinkovitost punjenja i pražnjenja te vijek trajanja baterije, a istovremeno je povećalo njezinu sigurnost i smanjilo rizik od toplinskog bijega.

Za pogonski motor i elektronički upravljački sustav, hladnjaci od pjenastog bakra također se iznimno dobro ponašaju. Pogonski motor stvara veliku količinu topline tijekom rada i zahtijeva pravovremeno odvođenje topline kako bi se osigurao njegov učinkovit i stabilan rad. Hladnjaci od pjenastog bakra imaju visoku toplinsku vodljivost i kompaktnu strukturu, što omogućuje učinkovito odvođenje topline u ograničenom prostoru. U određenom električnom vozilu, pogonski motor opremljen hladnjakom od pjenastog bakra održavao je učinkovitu kontrolu temperature tijekom kontinuiranog rada u uvjetima visoke temperature, povećavajući gustoću snage i time poboljšavajući domet i performanse snage vozila. Kao "mozak" vozila s novom energijom, elektronički upravljački sustav također ima stroge zahtjeve za odvođenje topline. Hladnjaci od pjenastog bakra mogu brzo odvesti toplinu unutar elektroničkog upravljačkog sustava, osiguravajući da elektroničke komponente rade unutar normalnog temperaturnog raspona, poboljšavajući pouzdanost i stabilnost elektroničkog upravljačkog sustava.

 

Br. 3 Industrija i zrakoplovstvo

U područjima industrije i zrakoplovstva, oprema često mora raditi u ekstremnim okruženjima, kao što su visoke temperature, visoki tlakovi, visoko zračenje i ekstremne temperaturne razlike. Pjenasti aluminij i pjenasti bakar, sa svojim izvrsnim performansama odvođenja topline, otpornošću na visoke temperature i laganim karakteristikama, postali su glavni materijali za odvođenje topline u tim ekstremnim uvjetima.

U industrijskoj opremi, laseri velike snage i energetski elektronički uređaji generiraju veliku količinu topline tijekom rada, a temperatura radnog okruženja je relativno visoka, što nameće izuzetno stroge zahtjeve na performanse materijala za odvođenje topline. Moduli za odvođenje topline od pjenastog metala mogu izdržati visoke temperature okruženja od 200-300°C.°C i imaju bolju otpornost na koroziju od tradicionalnih materijala. U određenom laseru velike snage usvojen je modul za odvođenje topline od pjenastog aluminija, čime se učinkovito rješava problem odvođenja topline tijekom dugotrajnog rada lasera i osigurava stabilnost laserskog izlaza i kvalitete snopa. U uređajima energetske elektronike, moduli za odvođenje topline od pjenastog bakra mogu brzo odvesti toplinu koju stvaraju energetske komponente, poboljšavajući učinkovitost i pouzdanost uređaja te smanjujući pojavu kvarova zbog pregrijavanja.