最近,美國東北大學(xué)的工程師開發(fā)了一種新的陶瓷材料,可以壓鑄成復(fù)雜而薄的零件。據(jù)稱,這一突破可能會在包括手機(jī)在內(nèi)的電子領(lǐng)域開辟新的應(yīng)用領(lǐng)域,成為更高效耐用的散熱材料。
1、“意外而生”
有趣的是,這種全新的材料實(shí)際上來自一次實(shí)驗(yàn)室事故。2021年7月,研究人員正在測試一種實(shí)驗(yàn)性的陶瓷化合物。理論上,當(dāng)陶瓷受到極端的熱變化和機(jī)械壓力時,很容易因熱沖擊而開裂甚至爆炸。
然而,當(dāng)研究人員用噴燈噴灑它時,陶瓷意外變形并從夾具上脫落。我以為實(shí)驗(yàn)失敗了,但最后發(fā)現(xiàn)樣品完好無損,只是形狀不同。經(jīng)過幾次實(shí)驗(yàn),研究人員意識到他們可以控制它的變形。于是,他們開始壓縮陶瓷材料,發(fā)現(xiàn)這個過程非???。
對這種陶瓷的進(jìn)一步研究揭示了其底層的微觀結(jié)構(gòu),這使得它可以在成型過程中快速傳熱,實(shí)現(xiàn)熱量的有效流動。研究人員表示,這種陶瓷可以形成精致的幾何形狀,在室溫下表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)熱性。這種熱成型陶瓷是一個新的材料領(lǐng)域。
該研究的作者說,“這是獨(dú)一無二的:從我們所看到和讀到的來看,熱成型陶瓷實(shí)際上并不存在。所以這是材料領(lǐng)域的一個新前沿?!?/span>
2、加工過程
從初始漿料到最終熱成型,加工過程總共分為五個步驟。首先,六方氮化硼(hBN)顆粒作為CMC材料的核心成分被添加到光敏膠中,并沉積在基板上。漿料表現(xiàn)為Hershel-Buckley流體,振動可使其流動。隨后,漿料被刮涂成薄膜,剪切力作用可提高h(yuǎn)BN的面內(nèi)取向,提高層內(nèi)對齊。隨后,利用紫外光將其固化。在梯度升溫并燒結(jié)過程中,部分hBN被均勻氧化為B2O3。
有趣的是,這種CMC材料加熱到450 °C以上時,氧化硼(B2O3)會熔化,使材料再次表現(xiàn)出粘性和可塑性,通過施加足夠的熱量(500~700 °C)、壓力和成型時間(>10 min),就可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的熱成型加工,甚至制成復(fù)雜的人臉模型(下圖a)。除了便于加工,CMC材料具有較高的導(dǎo)熱率,垂直平面的熱導(dǎo)率為3.52±0.67 W mK?1,由于平面內(nèi)hBN的剪切取向,面內(nèi)熱導(dǎo)率可達(dá)12.8 W mK?1。盡管氧化硼的引入使材料的熱導(dǎo)率低于純hBN的理論值,但與其他可熱成型的材料相比,基于hBN的CMC材料密度較低,可用來改善電子設(shè)備的散熱性能。
為了探索CMC材料在實(shí)際散熱中的應(yīng)用,研究者在500 °C烘箱中熱成型全陶瓷散熱器,并安裝于一塊印刷電路板上。散熱器厚度僅0.68 mm,對比組的平行翅片鋁制散熱器,則需要9.07 mm的空間才能完成安裝。運(yùn)行期間,全陶瓷散熱器最高溫度為52.9 °C,優(yōu)于鋁制散熱片(最高溫度56.8 °C)。
3、輕薄且散熱更高效 有望應(yīng)用于電子產(chǎn)品
“我們材料的厚度不到一個毫米,這是一種簡單的解決方案,可以被塑造成合適的形狀,替代手機(jī)中厚重的鋁散熱器,將熱量從設(shè)備中帶走”,研究人員說?!疤沾刹牧喜粫蓴_手機(jī)和其他系統(tǒng)的射頻信號”,研究人員補(bǔ)充說。
就電子應(yīng)用而言,它的一個優(yōu)點(diǎn)是作為導(dǎo)熱體效率高,可以冷卻高密度的電子產(chǎn)品。一般來說,手機(jī)等電子產(chǎn)品都配有很厚的鋁層,這是吸收設(shè)備熱量所必需的。新材料的厚度不到一毫米,可以成型為更有效的散熱裝置。
此外,它不會傳輸電子,不會干擾無線電頻率。機(jī)研究人員說:“這種基于聲子晶體的陶瓷允許熱量流動,而無需電子傳輸。它不會干擾手機(jī)和其他系統(tǒng)的無線電頻率?!?/span>
研究人員總結(jié)稱,未來這種新型陶瓷材料可用于塑形,貼合到各種電子部件上。這種陶瓷將比目前使用的金屬更薄、更輕、效率更高。