در سال‌های اخیر، با توسعه سریع تولید انرژی خورشیدی، وسایل نقلیه انرژی جدید و ارتباطات 5G، مواد اتلاف حرارت ترجیحی با رسانایی حرارتی بالا{1}}آلیاژ آلومینیوم نیز به طور فزاینده‌ای مورد توجه مردم قرار گرفته است.
برای تولید برق خورشیدی، کارایی اینورترها عامل مهمی برای تعیین عملکرد سیستم‌های فتوولتائیک خورشیدی است. اینورتر فتوولتائیک نوعی دستگاه الکترونیکی قدرت است که جریان مستقیم تولید شده در ماژول های فتوولتائیک را به جریان متناوب تبدیل می کند. اجزای اصلی آن شامل ترانزیستورهای سوئیچ (IGBT، MOSFET)، اجزای هسته مغناطیسی (سلف، ترانسفورماتور) و غیره است. اگر اینورتر فتوولتائیک به دلیل دمای بالا از کار بیفتد، باعث خاموش شدن سیستم فتوولتائیک و در نتیجه اتلاف انرژی زیادی می شود.
برای وسایل نقلیه برقی با انرژی جدید، سطح هوشمندی و برقی شدن روز به روز در حال افزایش است و اتلاف گرمای تجهیزات الکتریکی داخلی آنها مستقیماً بر ایمنی کل وسیله نقلیه تأثیر می گذارد.
برای ایستگاه های پایه 5G، مصرف برق آنها 2.5-3.5 برابر 4G است. RRU (واحد رادیویی از راه دور) یک دستگاه مهم در ایستگاه های پایه 5G است که کانال های پایدار و قابل اعتمادی را برای تبادل اطلاعات کاربر فراهم می کند و از تحویل دقیق و در زمان واقعی اطلاعات اطمینان می دهد.
در کار، هر ماژول مقدار زیادی گرما تولید می کند. اگر به موقع از بین نرود، منجر به افزایش دما در محیط داخلی می شود.
هنگامی که از دمای نامی فراتر رفت، دستگاه های الکترونیکی به طور پایدار کار نخواهند کرد، که بر به موقع بودن انتقال اطلاعات کاربر تأثیر می گذارد و حتی عمر سرویس را کوتاه می کند.
علاوه بر زمینه های فوق، اجزای دیگری مانند چراغ های LED پرقدرت و ماژول های فیبر نوری در ارتباطات دارای الزامات بالایی برای اتلاف گرما هستند.
قطعات الکترونیکی در این دستگاه ها دارای دمای کاری نامی هستند. اگر گرما نتواند به جهان خارج منتقل شود و دما به تجمع خود ادامه دهد، به طور فزاینده ای بالا می رود.
به منظور حفظ دمای کار قطعات الکترونیکی در داخل چنین دستگاه هایی در محدوده دمایی نامی، اطمینان از کارایی و عمر مفید آنها، لازم است از مواد رسانای حرارتی برای انتقال حرارت داخلی دستگاه استفاده شود.
بنابراین، مواد رسانایی حرارتی بالا که برای تولید هیت سینک ها استفاده می شود، همواره مورد توجه تحقیقات بوده است.
ماژول نوری
ایستگاه پایه ارتباطی 5G
مسکن چند رسانه ای یک وسیله نقلیه با انرژی جدید خاص
تعریف هدایت حرارتی
هدایت حرارتی یک شاخص پارامتری است که هدایت حرارتی یک ماده را مشخص می کند. هدایت حرارتی را در واحد زمان، در واحد سطح و تحت گرادیان دمایی منفی، در واحدهای W/m · K یا W/m · درجه نشان می‌دهد.
ضرایب هدایت حرارتی مواد رایج در جدول 1 نشان داده شده است:
جدول 1 ضرایب هدایت حرارتی مواد مختلف
فلز مناسب به عنوان ماده هیت سینک
از جدول 1 می توان دید که برای مواد فلزی، ضرایب اتلاف حرارت طلا، نقره، مس و آلومینیوم همگی از 200W/(m · K) فراتر می رود، که همگی نشان دهنده هدایت حرارتی عالی هستند.
با این حال، طلا و نقره به دلیل بافت نرم، چگالی بالا و هزینه بالا قابل استفاده نیستند.
ضریب هدایت حرارتی مس نیز بسیار بالا است، که می تواند توسط شرایط نامطلوب مانند سختی ناکافی، چگالی بالا، هزینه کمی بالا و دشواری پردازش بالا مانع شود و در زمینه های مرتبط با پره های سینک حرارت کمتر استفاده می شود.
آلومینیوم به عنوان فلزی با بیشترین میزان در پوسته زمین، به دلیل رسانایی حرارتی بالا، چگالی کم و قیمت پایین مورد علاقه است. با این حال، به دلیل سختی کم آلومینیوم خالص، معمولاً مواد فرمولی مختلفی در زمینه‌های کاربردی مختلف برای ساخت آلیاژهای آلومینیوم اضافه می‌شود که ویژگی‌های بسیاری را به دست می‌آورند که آلومینیوم خالص فاقد آن است و به یک انتخاب ایده‌آل برای مواد پردازش هیت سینک تبدیل می‌شود.
هیت سینک آلیاژ آلومینیوم
وضعیت تحقیق آلیاژهای آلومینیوم رسانای حرارتی به طور عمده به دو دسته تقسیم می شود: آلومینیوم تغییر شکل یافته و آلومینیوم ریخته گری که هر کدام ویژگی های متفاوتی دارند.
آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته: تحقیقات موجود در مورد هدایت حرارتی آلیاژهای آلومینیوم عمدتاً بر روی آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته تمرکز دارد. آلیاژهای آلومینیوم تغییر شکل یافته برای هدایت حرارتی عمدتاً در زمینه هایی مانند اتومبیل و الکترونیک مانند رادیاتورهای آلیاژ آلومینیوم، بخاری ها، تهویه مطبوع و غیره استفاده می شوند.
در مقایسه با هیت سینک های مسی یا فولادی سنتی، هیت سینک های آلومینیومی مزایایی مانند وزن سبک، مقاومت در برابر خوردگی خوب و هزینه های عملیاتی پایین دارند و به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفته اند. از نظر هیت سینک های کامپیوتری، سینک های حرارتی آلومینیومی به جریان اصلی تبدیل شده اند و جایگزین سینک های حرارتی مسی/فولادی و فن های پلاستیکی شده اند. نقطه ضعف آلیاژ آلومینیوم تغییر شکل یافته این است که ساخت قطعات مسئول ساختار دشوار است.
ریخته‌گری آلیاژ آلومینیوم: ریخته‌گری به شکل‌دهی انجماد تعلق دارد و در حال حاضر بهترین فرآیند برای شکل‌دهی قطعات ساختاری پیچیده است. برای آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری، به منظور اطمینان از عملکرد پر شدن و خواص مکانیکی آلیاژ، معمولاً لازم است عناصر آلیاژی بیشتری اضافه شوند. سیلیکون در آلیاژهای آلومینیوم ریخته گری می تواند سیالیت آلیاژ را بهبود بخشد، اما با افزایش محتوای سیلیکون، هدایت حرارتی کاهش می یابد. بنابراین، مشکل در توسعه آلیاژهای آلومینیوم ریخته‌گری با هدایت حرارتی بالا در تضمین سیالیت خوب و در عین حال حفظ هدایت حرارتی بالا از طریق طراحی آلیاژ و کنترل ریزساختار نهفته است.
تاثیر عملیات حرارتی بر هدایت حرارتی
عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم عمدتاً شامل محلول جامد، پیری و بازپخت است و تأثیرات آنها بر هدایت حرارتی متفاوت است.
تصفیه محلول جامد: پس از تصفیه محلول جامد، هدایت حرارتی و عملکرد انتشار حرارتی آلیاژ آلومینیوم که در آن عناصر در حالت محلول جامد وجود دارند، کمتر از ماتریس آلیاژ آلومینیوم در هنگام رسوب فاز عنصر است. دلیل آن این است که پس از تصفیه محلول جامد، ساختار مواد دستخوش تغییرات قابل توجهی می شود و برخی از عناصر آلیاژی و فازهای تقویتی دوباره در ماتریس حل می شوند و محلول های جامد فوق اشباع را تشکیل می دهند که باعث اعوجاج شدید شبکه، افزایش استحکام و کاهش هدایت حرارتی می شود.
درمان پیری: درمان پیری را می توان به پیری در دمای بالا و پیری در دمای پایین تقسیم کرد. در طول پیری در دمای بالا، انتشار اتمی آسان است و سرعت تعمیر جاهای خالی و عیوب نابجایی در آلیاژ سریعتر است. هدایت حرارتی در مدت زمان کوتاهی به بالاترین مقدار خود می رسد. با افزایش زمان، هدایت حرارتی یک روند نزولی خواهد داشت، که عمدتاً به دلیل محلول جامد Si بیش از حد و سایر عناصر در ساختار آلیاژ و رشد فازهای رسوب شده در دماهای بالا است. در طول پیری در دمای پایین، به دلیل انتشار آهسته اتمی و حداقل انحلال عناصری مانند Si در دماهای پایین تر، زمان برای رسیدن رسانایی حرارتی به اوج خود به طور قابل توجهی طولانی تر از پیری در دمای بالا است و بهبود رسانایی گرمایی انجام نمی شود. به اندازه پیری در دمای بالا مهم است.
عملیات بازپخت: دماهای مختلف آنیلینگ و روش‌های خنک‌سازی اثرات متفاوتی بر هدایت حرارتی آلیاژهای آلومینیوم دارند. با افزایش دمای بازپخت، هدایت حرارتی کاهش می‌یابد و درجه کاهش هدایت حرارتی با روش‌های مختلف خنک‌کننده متفاوت است. زیرا با ادامه افزایش دمای بازپخت، فازهای دوم بیشتری در آلیاژ آلومینیوم در ماتریس آلومینیوم حل می‌شوند که منجر به افزایش حلالیت جامد عناصر آلیاژی می‌شود که باعث ایجاد اعوجاج شدید شبکه و مانع از حرکت الکترون‌های آزاد می‌شود. کاهش هدایت حرارتی رسانایی حرارتی حاصل از روش خنک‌سازی آهسته با کوره بیشتر از روش خنک‌کننده سریع است، زیرا هرچه سرعت خنک‌کننده کمتر باشد، برای رسوب اتم‌های محلول جامد مطلوب‌تر است.
بنابراین، برای دستیابی به رسانایی حرارتی بالاتر، به طور کلی باید دمای بازپخت کمتر و روش خنک‌سازی با خنک‌کننده کوره انتخاب شود.
