ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ ยานพาหนะพลังงานใหม่ และการสื่อสาร 5G ซึ่งเป็นวัสดุกระจายความร้อนที่นิยมใช้และมีการนำความร้อนสูง----อะลูมิเนียมอัลลอยด์ ก็ได้รับความนิยมจากผู้คนมากขึ้นเช่นกัน
สำหรับการผลิตพลังงานแสงอาทิตย์ ประสิทธิภาพของอินเวอร์เตอร์เป็นปัจจัยสำคัญในการพิจารณาประสิทธิภาพของระบบเซลล์แสงอาทิตย์ อินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์เป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลังชนิดหนึ่งที่แปลงไฟฟ้ากระแสตรงที่สร้างขึ้นในโมดูลไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ให้เป็นไฟฟ้ากระแสสลับ ส่วนประกอบหลัก ได้แก่ ทรานซิสเตอร์สวิตช์ (IGBT, MOSFET) ส่วนประกอบแกนแม่เหล็ก (ตัวเหนี่ยวนำ หม้อแปลงไฟฟ้า) ฯลฯ หากอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ล้มเหลวเนื่องจากอุณหภูมิสูง จะทำให้ระบบไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ปิดตัวลง ส่งผลให้สูญเสียพลังงานมหาศาล
สำหรับรถยนต์ไฟฟ้าพลังงานใหม่ ระดับสติปัญญาและการใช้พลังงานไฟฟ้าจะเพิ่มขึ้นทุกวัน และการกระจายความร้อนของอุปกรณ์ไฟฟ้าภายในจะส่งผลโดยตรงต่อความปลอดภัยของยานพาหนะทั้งหมด
สำหรับสถานีฐาน 5G การใช้พลังงานคือ 2.5-3.5 เท่าของ 4G RRU (หน่วยวิทยุระยะไกล) เป็นอุปกรณ์สำคัญในสถานีฐาน 5G ที่ให้ช่องทางที่เสถียรและเชื่อถือได้สำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลผู้ใช้ ทำให้มั่นใจได้ว่าการส่งข้อมูลที่แม่นยำและเรียลไทม์
ในการทำงานแต่ละโมดูลจะผลิตความร้อนปริมาณมาก หากไม่กระจายไปตามเวลา จะทำให้อุณหภูมิสูงขึ้นในสภาพแวดล้อมภายใน
เมื่อเกินอุณหภูมิที่กำหนด อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์จะไม่ทำงานเสถียร ซึ่งจะส่งผลต่อความตรงเวลาในการส่งข้อมูลของผู้ใช้และยังทำให้อายุการใช้งานสั้นลงอีกด้วย
นอกเหนือจากฟิลด์ข้างต้นแล้ว ส่วนประกอบอื่นๆ เช่น ไฟ LED กำลังสูงและโมดูลไฟเบอร์ออปติกในการสื่อสาร มีข้อกำหนดสูงในการกระจายความร้อน
ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์ในอุปกรณ์เหล่านี้มีอุณหภูมิในการทำงานที่กำหนด หากความร้อนไม่สามารถถ่ายเทไปยังโลกภายนอกได้และอุณหภูมิยังคงสะสมต่อไป ความร้อนก็จะสูงขึ้นเรื่อยๆ
เพื่อรักษาอุณหภูมิการทำงานของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ภายในอุปกรณ์ดังกล่าวให้อยู่ในช่วงอุณหภูมิที่กำหนด เพื่อให้มั่นใจในประสิทธิภาพและอายุการใช้งาน จำเป็นต้องใช้วัสดุนำความร้อนเพื่อถ่ายเทความร้อนภายในของอุปกรณ์
ดังนั้นวัสดุที่มีค่าการนำความร้อนสูงที่ใช้ในการผลิตฮีทซิงค์จึงถือเป็นประเด็นสำคัญของการวิจัยมาโดยตลอด
โมดูลออปติคัล
สถานีฐานการสื่อสาร 5G
เคสมัลติมีเดียของรถยนต์พลังงานใหม่บางรุ่น
ความหมายของการนำความร้อน
ค่าการนำความร้อนเป็นตัวบ่งชี้พารามิเตอร์ที่กำหนดลักษณะการนำความร้อนของวัสดุ โดยจะระบุค่าการนำความร้อนต่อหน่วยเวลา ต่อหน่วยพื้นที่ และภายใต้การไล่ระดับอุณหภูมิที่เป็นลบ ในหน่วยของ W/m · K หรือ W/m · องศา
ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของสารทั่วไปแสดงไว้ในตารางที่ 1:
ตารางที่ 1 ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของสารต่างๆ
โลหะเหมาะเป็นวัสดุระบายความร้อน
จากตารางที่ 1 จะเห็นได้ว่าสำหรับวัสดุที่เป็นโลหะ ค่าสัมประสิทธิ์การกระจายความร้อนของทองคำ เงิน ทองแดง และอะลูมิเนียมล้วนมีค่าเกิน 200W/(m · K) ซึ่งทั้งหมดนี้บ่งชี้ถึงการนำความร้อนที่ดีเยี่ยม
อย่างไรก็ตาม ทองและเงินไม่สามารถนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายได้เนื่องจากมีเนื้อนุ่ม มีความหนาแน่นสูง และมีราคาสูง
ค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนของทองแดงยังสูงมาก ซึ่งสามารถถูกขัดขวางโดยสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย เช่น ความแข็งไม่เพียงพอ ความหนาแน่นสูง ต้นทุนสูงเล็กน้อย และความยากลำบากในการประมวลผลสูง และมีการใช้น้อยในสาขาที่เกี่ยวข้องของครีบระบายความร้อน
อลูมิเนียมซึ่งเป็นโลหะที่มีปริมาณมากที่สุดในเปลือกโลกได้รับความนิยมเนื่องจากมีการนำความร้อนสูง มีความหนาแน่นต่ำ และราคาต่ำ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากอะลูมิเนียมบริสุทธิ์มีความแข็งต่ำ วัสดุสูตรต่างๆ มักจะถูกเติมลงในการประยุกต์ใช้งานต่างๆ เพื่อสร้างโลหะผสมอะลูมิเนียม ซึ่งมีคุณสมบัติหลายประการที่อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ไม่มีและกลายเป็นตัวเลือกในอุดมคติสำหรับวัสดุแปรรูปแผ่นระบายความร้อน
ฮีทซิงค์อลูมิเนียมอัลลอยด์
สถานะการวิจัยของโลหะผสมอลูมิเนียมนำความร้อนส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองประเภท: อลูมิเนียมข้ออ้อยและอลูมิเนียมหล่อ ซึ่งแต่ละประเภทมีลักษณะที่แตกต่างกัน
อลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีรูปร่างผิดปกติ: งานวิจัยที่มีอยู่เกี่ยวกับการนำความร้อนของโลหะผสมอลูมิเนียมมุ่งเน้นไปที่โลหะผสมอลูมิเนียมที่มีรูปร่างผิดปกติเป็นหลัก อลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีรูปร่างผิดปกติสำหรับการนำความร้อนส่วนใหญ่จะใช้ในสาขาต่างๆ เช่น รถยนต์และอิเล็กทรอนิกส์ เช่น หม้อน้ำอลูมิเนียมอัลลอยด์ เครื่องทำความร้อน เครื่องปรับอากาศ เป็นต้น
เมื่อเปรียบเทียบกับแผ่นระบายความร้อนทองแดงหรือเหล็กแบบดั้งเดิม ฮีทซิงค์อะลูมิเนียมมีข้อดี เช่น น้ำหนักเบา ทนต่อการกัดกร่อนได้ดี และต้นทุนการดำเนินงานต่ำ และมีการใช้กันอย่างแพร่หลาย ในแง่ของแผงระบายความร้อนของคอมพิวเตอร์ แผงระบายความร้อนอลูมิเนียมได้กลายเป็นกระแสหลัก โดยแทนที่แผงระบายความร้อนทองแดง/เหล็ก และพัดลมพลาสติก ข้อเสียของอลูมิเนียมอัลลอยด์ที่มีรูปร่างผิดปกติคือทำให้ชิ้นส่วนรับผิดชอบต่อโครงสร้างได้ยาก
การหล่อโลหะผสมอลูมิเนียม: การหล่อเป็นการขึ้นรูปแข็งตัวและปัจจุบันเป็นกระบวนการที่ดีที่สุดสำหรับการขึ้นรูปชิ้นส่วนโครงสร้างที่ซับซ้อน สำหรับอลูมิเนียมหล่อโลหะผสม เพื่อให้มั่นใจถึงประสิทธิภาพการเติมและคุณสมบัติทางกลของโลหะผสม โดยปกติจำเป็นต้องเพิ่มองค์ประกอบของโลหะผสมมากขึ้น ซิลิคอนในโลหะผสมอะลูมิเนียมหล่อสามารถปรับปรุงความลื่นไหลของโลหะผสมได้ แต่เมื่อปริมาณซิลิกอนเพิ่มขึ้น ค่าการนำความร้อนจะลดลง ดังนั้น ความยากลำบากในการพัฒนาโลหะผสมอะลูมิเนียมหล่อที่มีค่าการนำความร้อนสูงจึงอยู่ที่การรับรองความลื่นไหลที่ดี ในขณะที่ยังคงรักษาค่าการนำความร้อนสูงไว้ได้ผ่านการออกแบบโลหะผสมและการควบคุมโครงสร้างจุลภาค
ผลของการบำบัดความร้อนต่อการนำความร้อน
การรักษาความร้อนของโลหะผสมอลูมิเนียมส่วนใหญ่รวมถึงสารละลายของแข็ง การเสื่อมสภาพ และการหลอม และผลกระทบต่อการนำความร้อนจะแตกต่างกัน
การบำบัดด้วยสารละลายที่เป็นของแข็ง: หลังจากการบำบัดด้วยสารละลายที่เป็นของแข็ง ประสิทธิภาพการนำความร้อนและการแพร่กระจายความร้อนของโลหะผสมอลูมิเนียมซึ่งมีองค์ประกอบอยู่ในสถานะสารละลายของแข็งจะต่ำกว่าค่าในเมทริกซ์โลหะผสมอลูมิเนียมเมื่อมีการตกตะกอนเฟสขององค์ประกอบ เหตุผลก็คือหลังจากการบำบัดสารละลายของแข็ง โครงสร้างวัสดุประสบการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญ และองค์ประกอบโลหะผสมบางส่วนและขั้นตอนการเสริมกำลังจะละลายอีกครั้งในเมทริกซ์ ทำให้เกิดสารละลายของแข็งที่มีความอิ่มตัวยวดยิ่ง ทำให้เกิดการบิดเบือนของตาข่ายอย่างรุนแรง ความแข็งแรงเพิ่มขึ้น และค่าการนำความร้อนลดลง
การรักษาผู้สูงอายุ: การรักษาผู้สูงอายุสามารถแบ่งออกเป็นการแก่ชราที่อุณหภูมิสูงและการแก่ชราที่อุณหภูมิต่ำ ในระหว่างการเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิสูง การแพร่กระจายของอะตอมทำได้ง่าย และความเร็วในการซ่อมแซมตำแหน่งงานว่างและข้อบกพร่องความคลาดเคลื่อนในโลหะผสมจะเร็วขึ้น ค่าการนำความร้อนจะถึงค่าสูงสุดในช่วงเวลาอันสั้น เมื่อขยายเวลาออกไป ค่าการนำความร้อนจะมีแนวโน้มลดลง สาเหตุหลักมาจากสารละลายของแข็งของ Si ส่วนเกินและองค์ประกอบอื่นๆ ในโครงสร้างโลหะผสมและการเติบโตของเฟสตกตะกอนที่อุณหภูมิสูง ในช่วงการชราภาพที่อุณหภูมิต่ำ เนื่องจากการแพร่กระจายของอะตอมที่ช้าและการละลายขององค์ประกอบต่างๆ เช่น Si ที่อุณหภูมิต่ำลง เวลาที่การนำความร้อนจะไปถึงจุดสูงสุดจะยาวนานกว่าในช่วงการชราภาพอุณหภูมิสูงอย่างมีนัยสำคัญ และการปรับปรุงการนำความร้อนจะไม่เกิดขึ้น มีความสำคัญพอๆ กับช่วงการเสื่อมสภาพที่อุณหภูมิสูง
การอบอ่อน: อุณหภูมิการอบอ่อนและวิธีการทำความเย็นที่แตกต่างกันมีผลกระทบต่อการนำความร้อนของโลหะผสมอลูมิเนียมต่างกัน เมื่ออุณหภูมิการหลอมเพิ่มขึ้น ค่าการนำความร้อนจะลดลง และระดับการนำความร้อนที่ลดลงจะแตกต่างกันไปตามวิธีการทำความเย็นที่แตกต่างกัน เนื่องจากในขณะที่อุณหภูมิการหลอมยังคงเพิ่มขึ้น เฟสที่สองมากขึ้นในอะลูมิเนียมอัลลอยด์จะละลายในเมทริกซ์อะลูมิเนียม ส่งผลให้ความสามารถในการละลายของแข็งขององค์ประกอบโลหะผสมเพิ่มขึ้น ทำให้เกิดการบิดเบือนของโครงตาข่ายอย่างรุนแรงและขัดขวางการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนอิสระ ส่งผลให้ การนำความร้อนลดลง ค่าการนำความร้อนที่ได้จากวิธีการทำความเย็นแบบช้าด้วยเตาเผาจะสูงกว่าค่าการนำความร้อนแบบเร็ว เนื่องจากยิ่งความเร็วในการทำความเย็นช้าลงเท่าไร การตกตะกอนของอะตอมของสารละลายของแข็งก็จะยิ่งดีขึ้นเท่านั้น
ดังนั้น เพื่อให้บรรลุการนำความร้อนที่สูงขึ้น โดยทั่วไปควรเลือกอุณหภูมิการหลอมที่ต่ำกว่าและวิธีการทำความเย็นด้วยการระบายความร้อนของเตาเผา
