في السنوات الأخيرة، مع التطور السريع لتوليد الطاقة الشمسية، ومركبات الطاقة الجديدة، واتصالات 5G، أصبحت مادة تبديد الحرارة المفضلة ذات التوصيل الحراري العالي----سبائك الألومنيوم، موضع تقدير متزايد من قبل الناس.
بالنسبة لتوليد الطاقة الشمسية، تعد كفاءة العاكسات عاملاً مهمًا لتحديد أداء أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية. العاكس الكهروضوئي هو نوع من أجهزة الطاقة الإلكترونية التي تحول التيار المباشر الذي يتم توليده في الوحدات الكهروضوئية إلى تيار متردد. تشتمل مكوناته الرئيسية على ترانزستورات التبديل (IGBT، MOSFET)، والمكونات الأساسية المغناطيسية (المحث، المحول)، وما إلى ذلك. إذا فشل العاكس الكهروضوئي بسبب ارتفاع درجة الحرارة، فسوف يتسبب ذلك في إيقاف تشغيل النظام الكهروضوئي، مما يؤدي إلى فقدان كبير للطاقة؛
بالنسبة للمركبات الكهربائية ذات الطاقة الجديدة، فإن مستوى الذكاء والكهرباء يتزايد يومًا بعد يوم، كما أن تبديد الحرارة لمعداتها الكهربائية الداخلية سيؤثر بشكل مباشر على سلامة المركبة بأكملها؛
بالنسبة لمحطات 5G الأساسية، يبلغ استهلاكها للطاقة 2.5-3.5 أضعاف استهلاك 4G. تعد RRU (وحدة الراديو عن بعد) جهازًا مهمًا في محطات 5G الأساسية، حيث توفر قنوات مستقرة وموثوقة لتبادل معلومات المستخدم، مما يضمن تسليم المعلومات بدقة وفي الوقت الفعلي.
في العمل، ستنتج كل وحدة كمية كبيرة من الحرارة. وإذا لم تتبدد مع مرور الوقت، فإنها ستؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة البيئة الداخلية.
بمجرد تجاوز درجة الحرارة المقدرة، لن تعمل الأجهزة الإلكترونية بشكل مستقر، مما سيؤثر على توقيت نقل معلومات المستخدم وحتى تقصير عمر الخدمة.
بالإضافة إلى المجالات المذكورة أعلاه، فإن المكونات الأخرى مثل مصابيح LED عالية الطاقة ووحدات الألياف الضوئية في الاتصالات لديها متطلبات عالية لتبديد الحرارة.
تحتوي المكونات الإلكترونية في هذه الأجهزة على درجة حرارة تشغيل مقدرة. إذا لم تتمكن الحرارة من الانتقال إلى العالم الخارجي واستمرت درجة الحرارة في التراكم، فستصبح مرتفعة بشكل متزايد.
من أجل الحفاظ على درجة حرارة عمل المكونات الإلكترونية داخل هذه الأجهزة ضمن نطاق درجة الحرارة المقدرة، وضمان كفاءتها وعمر الخدمة، من الضروري استخدام مواد موصلة للحرارة لنقل الحرارة الداخلية للجهاز.
لذلك، كانت المواد عالية التوصيل الحراري المستخدمة في تصنيع المبددات الحرارية دائمًا محورًا للبحث.
الوحدة البصرية
محطة قاعدة اتصالات 5G
غلاف الوسائط المتعددة لمركبة طاقة جديدة معينة
تعريف التوصيل الحراري
الموصلية الحرارية هي مؤشر معلمة يميز التوصيل الحراري للمادة. إنه يشير إلى الموصلية الحرارية لكل وحدة زمنية، لكل وحدة مساحة، وتحت تدرج سلبي في درجة الحرارة، بوحدات W/m · K أو W/m · درجة.
يوضح الجدول 1 معاملات التوصيل الحراري للمواد الشائعة:
الجدول 1: معاملات التوصيل الحراري للمواد المختلفة
معدن مناسب كمادة بالوعة الحرارة
من الجدول 1، يمكن ملاحظة أنه بالنسبة للمواد المعدنية، فإن معاملات تبديد الحرارة للذهب والفضة والنحاس والألومنيوم تتجاوز 200 وات/(م·ك)، وكلها تشير إلى التوصيل الحراري الممتاز.
ومع ذلك، لا يمكن استخدام الذهب والفضة على نطاق واسع بسبب ملمسهما الناعم وكثافتهما العالية وتكلفتهما العالية؛
معامل التوصيل الحراري للنحاس مرتفع جدًا أيضًا، والذي يمكن إعاقته بسبب الظروف غير المواتية مثل الصلابة غير الكافية، والكثافة العالية، والتكلفة المرتفعة قليلاً، وصعوبة المعالجة العالية، وهو أقل استخدامًا في المجالات ذات الصلة بزعانف المشتتات الحرارية؛
الألومنيوم، باعتباره المعدن الذي يحتوي على أعلى محتوى في القشرة الأرضية، مفضل بسبب موصليته الحرارية العالية، وكثافته المنخفضة، وسعره المنخفض. ومع ذلك، نظرًا لانخفاض صلابة الألومنيوم النقي، عادةً ما تتم إضافة مواد تركيبية مختلفة في مجالات التطبيق المختلفة لتصنيع سبائك الألومنيوم، والتي تحصل على العديد من الخصائص التي لا يمتلكها الألومنيوم النقي وتصبح خيارًا مثاليًا لمواد معالجة المشتت الحراري.
سبائك الألومنيوم المبرد
تنقسم الحالة البحثية لسبائك الألومنيوم الموصلة للحرارة بشكل أساسي إلى فئتين: الألومنيوم المشوه والألومنيوم المصبوب، ولكل منهما خصائص مختلفة.
سبائك الألومنيوم المشوهة: تركز الأبحاث الحالية حول التوصيل الحراري لسبائك الألومنيوم بشكل أساسي على سبائك الألومنيوم المشوهة. تستخدم سبائك الألومنيوم المشوهة للتوصيل الحراري بشكل رئيسي في مجالات مثل السيارات والإلكترونيات، مثل مشعات سبائك الألومنيوم، والسخانات، ومكيفات الهواء، وما إلى ذلك.
بالمقارنة مع المشتتات الحرارية التقليدية المصنوعة من النحاس أو الفولاذ، تتميز المبددات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم بمزايا مثل الوزن الخفيف والمقاومة الجيدة للتآكل وتكاليف التشغيل المنخفضة، وقد تم استخدامها على نطاق واسع. فيما يتعلق بالمشتتات الحرارية للكمبيوتر، أصبحت المبددات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم سائدة، لتحل محل المشتتات الحرارية المصنوعة من النحاس/الفولاذ والمراوح البلاستيكية. عيب سبائك الألومنيوم المشوهة هو أنه من الصعب جعل الأجزاء مسؤولة عن الهيكل.
صب سبائك الألومنيوم: ينتمي الصب إلى عملية التصلب وهو حاليًا أفضل عملية لتشكيل الأجزاء الهيكلية المعقدة. بالنسبة لسبائك الألومنيوم المصبوبة، من أجل ضمان أداء التعبئة والخصائص الميكانيكية للسبائك، فمن الضروري عادة إضافة المزيد من عناصر السبائك. يمكن للسيليكون الموجود في سبائك الألومنيوم المصبوب أن يحسن سيولة السبائك، ولكن مع زيادة محتوى السيليكون، تنخفض التوصيل الحراري. لذلك، تكمن صعوبة تطوير سبائك الألومنيوم المصبوب ذات الموصلية الحرارية العالية في ضمان سيولة جيدة مع الحفاظ على الموصلية الحرارية العالية من خلال تصميم السبائك والتحكم في البنية المجهرية.
تأثير المعالجة الحرارية على التوصيل الحراري
تتضمن المعالجة الحرارية لسبائك الألومنيوم بشكل أساسي المحاليل الصلبة والشيخوخة والتليين، وتختلف تأثيراتها على التوصيل الحراري.
معالجة المحلول الصلب: بعد معالجة المحلول الصلب، تكون الموصلية الحرارية وأداء الانتشار الحراري لسبائك الألومنيوم التي توجد فيها العناصر في حالة محلول صلب أقل من تلك الموجودة في مصفوفة سبائك الألومنيوم عندما يتم ترسيب مرحلة العنصر. والسبب هو أنه بعد معالجة المحلول الصلب، يخضع هيكل المادة لتغييرات كبيرة، وسوف تذوب بعض عناصر السبائك ومراحل التقوية مرة أخرى في المصفوفة، وتشكل محاليل صلبة مفرطة التشبع، مما يسبب تشويهًا شديدًا للشبكة، وزيادة القوة، وانخفاض التوصيل الحراري.
علاج الشيخوخة: يمكن تقسيم علاج الشيخوخة إلى الشيخوخة الناتجة عن درجات الحرارة المرتفعة والشيخوخة الناتجة عن درجات الحرارة المنخفضة. أثناء الشيخوخة ذات درجات الحرارة المرتفعة، يكون الانتشار الذري سهلاً، وتكون سرعة إصلاح الشواغر وعيوب الخلع في السبائك أسرع. سوف تصل الموصلية الحرارية إلى أعلى قيمة لها في فترة زمنية قصيرة. مع تمديد الوقت، سيكون للتوصيل الحراري اتجاه هبوطي، ويرجع ذلك أساسًا إلى المحلول الصلب للفائض Si والعناصر الأخرى في هيكل السبائك ونمو المراحل المترسبة عند درجات حرارة عالية؛ أثناء التعتيق في درجات الحرارة المنخفضة، وبسبب الانتشار الذري البطيء والحد الأدنى من انحلال العناصر مثل Si في درجات حرارة منخفضة، يكون الوقت اللازم للوصول إلى ذروتها أطول بكثير مما كان عليه أثناء التقادم في درجات الحرارة المرتفعة، ولا يحدث تحسن في التوصيل الحراري. كبيرة كما هو الحال أثناء الشيخوخة ذات درجة الحرارة المرتفعة.
معالجة التلدين: درجات حرارة التلدين وطرق التبريد المختلفة لها تأثيرات مختلفة على التوصيل الحراري لسبائك الألومنيوم. مع زيادة درجة حرارة التلدين، تقل الموصلية الحرارية، وتختلف درجة النقصان في التوصيل الحراري باختلاف طرق التبريد. وذلك لأنه مع استمرار ارتفاع درجة حرارة التلدين، تذوب المزيد من المراحل الثانية في سبائك الألومنيوم في مصفوفة الألومنيوم، مما يؤدي إلى زيادة الذوبان الصلب لعناصر السبائك، مما يسبب تشوهًا شديدًا في الشبكة وإعاقة حركة الإلكترونات الحرة، مما يؤدي إلى انخفاض في التوصيل الحراري. الموصلية الحرارية التي يتم الحصول عليها بطريقة التبريد البطيء بالفرن أعلى من طريقة التبريد السريع، لأنه كلما كانت سرعة التبريد أبطأ، كلما كانت أكثر ملاءمة لترسيب ذرات المحلول الصلب.
ولذلك، من أجل تحقيق التوصيل الحراري العالي، يجب بشكل عام اختيار درجة حرارة التلدين المنخفضة وطريقة التبريد مع تبريد الفرن.
