V zadnjih letih so ljudje s hitrim razvojem proizvodnje sončne energije, novih energetskih vozil in komunikacije 5G vse bolj cenili tudi prednostni material za odvajanje toplote z visoko toplotno prevodnostjo----aluminijevo zlitino.
Za proizvodnjo sončne energije je učinkovitost pretvornikov pomemben dejavnik pri določanju učinkovitosti solarnih fotovoltaičnih sistemov. Fotovoltaični pretvornik je vrsta močnostne elektronske naprave, ki pretvarja enosmerni tok, ki nastaja v fotonapetostnih modulih, v izmenični tok. Njegove glavne komponente vključujejo stikalne tranzistorje (IGBT, MOSFET), komponente magnetnega jedra (induktor, transformator) itd. Če fotonapetostni pretvornik odpove zaradi visoke temperature, bo to povzročilo zaustavitev fotonapetostnega sistema, kar bo povzročilo velike izgube energije;
Pri novih energetskih električnih vozilih se raven inteligence in elektrifikacije iz dneva v dan povečuje, odvajanje toplote njihove notranje električne opreme pa bo neposredno vplivalo na varnost celotnega vozila;
Pri baznih postajah 5G je njihova poraba energije 2.5-3.5-krat večja kot pri 4G. RRU (oddaljena radijska enota) je pomembna naprava v baznih postajah 5G, ki zagotavlja stabilne in zanesljive kanale za izmenjavo uporabniških informacij ter zagotavlja natančno dostavo informacij v realnem času.
Pri delu bo vsak modul proizvedel veliko količino toplote. Če se ne razprši pravočasno, bo povzročilo visok dvig temperature v notranjem okolju.
Ko je nazivna temperatura presežena, elektronske naprave ne bodo delovale stabilno, kar bo vplivalo na pravočasnost posredovanja uporabniških informacij in celo skrajšalo življenjsko dobo.
Poleg zgornjih področij imajo druge komponente, kot so visokozmogljive LED luči in moduli z optičnimi vlakni v komunikaciji, visoke zahteve glede odvajanja toplote.
Elektronske komponente v teh napravah imajo nazivno delovno temperaturo. Če toplote ni mogoče prenesti v zunanji svet in se temperatura še naprej kopiči, bo postajala vse višja.
Da bi ohranili delovno temperaturo elektronskih komponent znotraj takšnih naprav znotraj nazivnega temperaturnega območja, zagotovili njihovo učinkovitost in življenjsko dobo, je treba uporabiti toplotno prevodne materiale za prenos notranje toplote naprave.
Zato so bili materiali z visoko toplotno prevodnostjo, ki se uporabljajo za izdelavo hladilnikov, vedno v središču raziskav.
Optični modul
5G komunikacijska bazna postaja
Multimedijsko ohišje določenega novega energijskega vozila
Opredelitev toplotne prevodnosti
Toplotna prevodnost je indikator parametra, ki označuje toplotno prevodnost materiala. Prikazuje toplotno prevodnost na enoto časa, na enoto površine in pod negativnim temperaturnim gradientom v enotah W/m · K ali W/m · stopinja.
Koeficienti toplotne prevodnosti običajnih snovi so prikazani v tabeli 1:
Tabela 1 Koeficienti toplotne prevodnosti različnih snovi
Kovina, primerna kot material za odvod toplote
Iz tabele 1 je razvidno, da pri kovinskih materialih koeficienti toplotnega odvajanja zlata, srebra, bakra in aluminija vsi presegajo 200 W/(m · K), vsi pa kažejo na odlično toplotno prevodnost.
Vendar zlata in srebra ni mogoče široko uporabljati zaradi njune mehke teksture, visoke gostote in visokih stroškov;
Koeficient toplotne prevodnosti bakra je prav tako zelo visok, kar lahko ovirajo neugodni pogoji, kot so nezadostna trdota, visoka gostota, nekoliko visoki stroški in visoke težave pri obdelavi, in se manj uporablja na sorodnih področjih reber toplotnih odvodov;
Aluminij kot kovina z največjo vsebnostjo v zemeljski skorji je priljubljen zaradi visoke toplotne prevodnosti, nizke gostote in nizke cene. Vendar pa se zaradi nizke trdote čistega aluminija na različnih področjih uporabe običajno dodajajo različni materiali formule za izdelavo aluminijevih zlitin, ki pridobijo številne lastnosti, ki jih čisti aluminij nima, in postanejo idealna izbira za materiale za obdelavo toplotnih odvodov.
Hladilnik iz aluminijeve zlitine
Raziskovalni status toplotno prevodnih aluminijevih zlitin je v glavnem razdeljen na dve kategoriji: deformiran aluminij in lit aluminij, vsaka z različnimi lastnostmi.
Deformirane aluminijeve zlitine: Obstoječe raziskave toplotne prevodnosti aluminijevih zlitin se osredotočajo predvsem na deformirane aluminijeve zlitine. Deformirane aluminijeve zlitine za toplotno prevodnost se uporabljajo predvsem na področjih, kot so avtomobili in elektronika, kot so radiatorji iz aluminijevih zlitin, grelniki, klimatske naprave itd.
V primerjavi s tradicionalnimi bakrenimi ali jeklenimi hladilniki imajo aluminijasti hladilniki prednosti, kot so majhna teža, dobra odpornost proti koroziji in nizki obratovalni stroški, in se pogosto uporabljajo. Kar zadeva računalniške hladilnike, so aluminijasti hladilniki postali običajni in so nadomestili bakrene/jeklene hladilnike in plastične ventilatorje. Pomanjkljivost deformirane aluminijeve zlitine je, da je težko izdelati dele, ki so odgovorni za strukturo.
Ulivanje aluminijeve zlitine: Ulivanje spada v strjevalno oblikovanje in je trenutno najboljši postopek za oblikovanje kompleksnih konstrukcijskih delov. Pri litih aluminijevih zlitinah, da bi zagotovili učinkovitost polnjenja in mehanske lastnosti zlitine, je običajno treba dodati več elementov zlitine. Silicij v litih aluminijevih zlitinah lahko izboljša fluidnost zlitine, toda ko se vsebnost silicija poveča, se toplotna prevodnost zmanjša. Zato je težava pri razvoju litih aluminijevih zlitin z visoko toplotno prevodnostjo v zagotavljanju dobre fluidnosti ob ohranjanju visoke toplotne prevodnosti z zasnovo zlitine in nadzorom mikrostrukture.
Vpliv toplotne obdelave na toplotno prevodnost
Toplotna obdelava aluminijevih zlitin vključuje predvsem trdno raztopino, staranje in žarjenje, njihovi učinki na toplotno prevodnost pa so različni.
Obdelava s trdno raztopino: Po obdelavi s trdno raztopino sta toplotna prevodnost in toplotna difuzijska učinkovitost aluminijeve zlitine, v kateri elementi obstajajo v stanju trdne raztopine, nižji od tistih v matrici iz aluminijeve zlitine, ko se faza elementa obori. Razlog je v tem, da je po obdelavi s trdno raztopino struktura materiala podvržena pomembnim spremembam in nekateri zlitinski elementi in ojačitvene faze se ponovno raztopijo v matrici, pri čemer nastanejo prenasičene trdne raztopine, kar povzroči močno popačenje rešetke, povečano trdnost in zmanjšano toplotno prevodnost.
Zdravljenje staranja: Zdravljenje staranja lahko razdelimo na staranje pri visokih temperaturah in staranje pri nizkih temperaturah. Med visokotemperaturnim staranjem je atomska difuzija enostavna, hitrost popravljanja praznin in dislokacijskih napak v zlitini pa hitrejša. Toplotna prevodnost bo v kratkem času dosegla najvišjo vrednost. S podaljševanjem časa bo imela toplotna prevodnost trend padanja, predvsem zaradi trdne raztopine presežka Si in drugih elementov v strukturi zlitine ter rasti izločenih faz pri visokih temperaturah; Med nizkotemperaturnim staranjem je zaradi počasne atomske difuzije in minimalnega raztapljanja elementov, kot je Si pri nižjih temperaturah, čas, da toplotna prevodnost doseže svoj vrh, znatno daljši kot med visokotemperaturnim staranjem, izboljšanje toplotne prevodnosti pa ni tako pomembna kot med staranjem pri visoki temperaturi.
Obdelava z žarjenjem: različne temperature žarjenja in metode hlajenja imajo različne učinke na toplotno prevodnost aluminijevih zlitin. Ko se temperatura žarjenja poveča, se toplotna prevodnost zmanjša, stopnja zmanjšanja toplotne prevodnosti pa se razlikuje glede na različne metode hlajenja. To je zato, ker ko temperatura žarjenja še naprej narašča, se več drugih faz v aluminijevi zlitini raztopi v aluminijevi matrici, kar povzroči povečanje trdne topnosti elementov zlitine, kar povzroči močno popačenje mreže in ovira gibanje prostih elektronov, kar povzroči zmanjšanje toplotne prevodnosti. Toplotna prevodnost, dobljena pri metodi počasnega hlajenja s pečjo, je višja kot pri metodi hitrega hlajenja, saj počasnejša kot je hitrost hlajenja, ugodnejša je za izločanje atomov trdne raztopine.
Zato je treba za doseganje višje toplotne prevodnosti na splošno izbrati nižjo temperaturo žarjenja in način hlajenja s hlajenjem v peči.
