با تکرار سریع قدرت محاسباتی هوش مصنوعی و افزایش چالشهای اتلاف گرما در تراشههای-بالا، الماس با رسانایی حرارتی فوقالعاده-بهعنوان یک ماده نیمهرسانا امیدوارکننده در حال ظهور است. رسانایی حرارتی استثنایی الماس از ریزساختار منحصربهفرد آن ناشی میشود که عمدتاً بر ارتعاشات شبکه برای انتقال حرارت متکی است. پیوندهای بسیار قوی C-C بین اتمهای کربن، همراه با جرم اتمی کوچک کربن، اتمها را به ارتعاشات نزدیک به حداقل انرژی پتانسیل محدود میکند-که رسانایی گرمایی فوقالعاده بالایی به الماس میبخشد. در همین حال، تمام الکترون های ظرفیت الماس در پیوند شرکت می کنند و نمی توانند آزادانه حرکت کنند و به آن عایق الکتریکی عالی می دهند. این ویژگی دوگانه "رسانایی حرارتی بالا + عایق" دامنه کاربرد آن را بیشتر گسترش می دهد.
پودرهای الماس در مقیاس میکرو- یا نانومتری، که با توزیع اندازه ذرات متمرکز، مورفولوژی خوب تعریف شده، خلوص بالا، عیوب داخلی کم و رسانایی حرارتی بسیار بالا مشخص میشوند، میتوانند در مواد فلزی-برای استفاده بهعنوان سینککنندههای حرارتی، عملکردهای فرعی حرارتی{4}} ترکیب شوند. مواد رابط حرارتی (TIMs) مانند گریس های حرارتی، چسب های حرارتی و پدهای حرارتی.
تهیه میکروپودر الماس
در حال حاضر، روش صنعتی اولیه برای تولید ریزپودرهای الماس، روش خرد کردن استاتیک-درجه حرارت بالا-فشار بالا (HPHT) است: ذرات الماس تک دانه درشت-درشت-که از طریق HPHT سنتز میشوند، سپس به عنوان مواد اولیه طبقهبندی میشوند.
(1) سنتز الماس- روش HPHT معمولاً در دماهای بالا (1300-1700 درجه) و فشارهای بالا (5-7 گیگا پاسکال)، با استفاده از پودر گرافیت و پودرهای کاتالیزور فلزی به عنوان مواد اولیه اصلی عمل می کند. تحت عمل کاتالیزور، منبع کربن (گرافیت) به الماس تبدیل می شود.
(2) خرد کردن و شکل دادن- فرآیندهای خرد کردن و شکل دهی مستقیماً بر شکل ذرات و عملکرد اندازه ذرات هدف تأثیر می گذارد. به طور کلی، کاهش مواد اولیه درشت به اندازه میکرون یا زیر میکرون با دو روش اساسی حاصل می شود: ضربه مکانیکی و فرز جت.
(3) طبقه بندی- طبقه بندی اندازه ذرات یک گام مهم در تولید ریز پودر الماس است که هم بر راندمان تولید و هم بر کیفیت محصول تأثیر می گذارد. بسیاری از تولیدکنندگان در حال حاضر رسوب طبیعی و سانتریفیوژ را برای تولید میکروپودرهای با دامنه کامل از گریدهای ریز تا درشت ترکیب می کنند.
کاربرد حرارتی 1: پرکننده بهینه رسانای حرارتی
پرکنندههای الماسی در ماتریسهای پلیمری (مانند سیلیکونها، رزینهای اپوکسی) پراکنده میشوند تا کامپوزیتهایی را تشکیل دهند که شکافهای میکروسکوپی بین اجزای تولیدکننده گرما و سینکهای حرارتی را پر میکنند، مقاومت حرارتی تماس را کاهش میدهند و شبکههای رسانش گرما را برای دفع سریع گرمای انباشته ایجاد میکنند. پودر الماس بهعنوان ماده خام اصلی در TIMها مانند گریسهای حرارتی، پدها و کپسولکنندهها، مستقیماً کارایی و پایداری سیستم مدیریت حرارتی را تعیین میکند.
کاربرد حرارتی 2: کامپوزیت های الماس/فلز با کارایی بالا{{1}
محققان با استفاده از رسانایی حرارتی بالا، ضریب انبساط حرارتی کم و چگالی کم الماس، به طور فعال در حال توسعه کامپوزیت های زمینه فلزی تقویت شده با ذرات الماس برای کاربردهای با رسانایی حرارتی بالا هستند. خواص ترموفیزیکی برجسته کامپوزیت های الماس/فلز آنها را برای بسته بندی الکترونیکی بسیار امیدوارکننده می کند. تحقیقات کنونی در درجه اول بر روشهای ساخت مانند متالورژی پودر و نفوذ مایع متمرکز است. کامپوزیت های الماس/آلومینیوم فرآوری شده معمولی رسانایی حرارتی 250-600 W/(m·K) دارند، در حالی که کامپوزیت های الماس/مس می توانند به 420-900 W/(m·K) برسند.
پودر الماس ماده خام کلیدی است که حد بالایی هدایت حرارتی مرکب را تعیین می کند. کیفیت، اندازه ذرات و مورفولوژی کریستال آن به طور مستقیم بر عملکرد محصول نهایی تأثیر می گذارد. به طور مشابه، سازگاری سطحی ضعیف بین الماس و ماتریسهای فلزی-که منجر به پراکندگی شدید فونون در رابطها میشود-رسانایی حرارتی مرکب را محدود میکند. این را می توان با بهینه سازی فرآیندهای ساخت، اصلاح زبری سطح و حالت های شیمیایی ذرات الماس برای تقویت پیوند سطحی، یا معرفی لایه های انتقال سطحی از طریق آلیاژسازی ماتریس یا فلزسازی سطحی ذرات الماس کاهش داد.
با یک پایه صنعتی مستحکم و فرصتهای بازار گسترده، شرکتهای داخلی متعددی به تحقیق و توسعه و صنعتیسازی مواد مدیریت حرارتی کامپوزیتی مبتنی بر الماس- سرعت میبخشند.