Trong những năm gần đây, với sự phát triển nhanh chóng của hoạt động sản xuất năng lượng mặt trời, phương tiện sử dụng năng lượng mới và truyền thông 5G, vật liệu tản nhiệt ưa thích với----hợp kim nhôm có tính dẫn nhiệt cao cũng ngày càng được mọi người đánh giá cao.
Đối với việc phát điện từ năng lượng mặt trời, hiệu suất của bộ biến tần là yếu tố quan trọng quyết định hiệu suất của hệ thống quang điện mặt trời. Biến tần quang điện là một loại thiết bị điện tử công suất có chức năng chuyển đổi dòng điện một chiều được tạo ra trong các mô-đun quang điện thành dòng điện xoay chiều. Các thành phần chính của nó bao gồm các bóng bán dẫn chuyển mạch (IGBT, MOSFET), các thành phần lõi từ (cuộn cảm, máy biến áp), v.v. Nếu bộ biến tần quang điện bị hỏng do nhiệt độ cao sẽ khiến hệ thống quang điện ngừng hoạt động, dẫn đến tổn thất điện năng rất lớn;
Đối với xe điện năng lượng mới, mức độ thông minh và điện khí hóa ngày càng tăng lên, khả năng tản nhiệt của các thiết bị điện bên trong sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến sự an toàn của toàn bộ xe;
Đối với các trạm gốc 5G, mức tiêu thụ điện năng của chúng gấp 2,5-3,5 lần so với 4G. RRU (Remote Radio Unit) là thiết bị quan trọng trong các trạm gốc 5G, cung cấp các kênh ổn định và đáng tin cậy để trao đổi thông tin người dùng, đảm bảo truyền thông tin chính xác và theo thời gian thực.
Trong quá trình làm việc, mỗi module sẽ sinh ra một lượng nhiệt lớn. Nếu không được tiêu tan kịp thời sẽ dẫn đến nhiệt độ môi trường bên trong tăng cao.
Khi vượt quá nhiệt độ định mức, các thiết bị điện tử sẽ không hoạt động ổn định, điều này sẽ ảnh hưởng đến tính kịp thời trong việc truyền thông tin của người dùng và thậm chí rút ngắn tuổi thọ sử dụng.
Ngoài các lĩnh vực trên, các thành phần khác như đèn LED công suất cao và mô-đun cáp quang trong truyền thông đều có yêu cầu cao về tản nhiệt.
Các linh kiện điện tử trong các thiết bị này có nhiệt độ hoạt động định mức. Nếu nhiệt không thể truyền ra thế giới bên ngoài và nhiệt độ tiếp tục tích tụ thì nhiệt độ sẽ ngày càng cao.
Để duy trì nhiệt độ làm việc của các linh kiện điện tử bên trong các thiết bị đó trong phạm vi nhiệt độ định mức, đảm bảo hiệu quả và tuổi thọ sử dụng của chúng, cần sử dụng vật liệu dẫn nhiệt để truyền nhiệt bên trong thiết bị.
Vì vậy, vật liệu dẫn nhiệt cao dùng để sản xuất tản nhiệt luôn được chú trọng nghiên cứu.
Mô-đun quang học
Trạm gốc truyền thông 5G
Vỏ đa phương tiện của một loại phương tiện năng lượng mới
Định nghĩa độ dẫn nhiệt
Độ dẫn nhiệt là một chỉ số thông số đặc trưng cho độ dẫn nhiệt của vật liệu. Nó biểu thị độ dẫn nhiệt trên một đơn vị thời gian, trên một đơn vị diện tích và dưới một gradient nhiệt độ âm, tính bằng đơn vị W/m · K hoặc W/m · độ.
Hệ số dẫn nhiệt của các chất thông thường được thể hiện ở Bảng 1:
Bảng 1 Hệ số dẫn nhiệt của các chất khác nhau
Kim loại thích hợp làm vật liệu tản nhiệt
Từ Bảng 1, có thể thấy, đối với các vật liệu kim loại, hệ số tản nhiệt của vàng, bạc, đồng và nhôm đều vượt quá 200W/(m · K), tất cả đều cho thấy khả năng dẫn nhiệt rất tốt.
Tuy nhiên, vàng và bạc không thể được sử dụng rộng rãi do kết cấu mềm, mật độ cao và giá thành cao;
Hệ số dẫn nhiệt của đồng cũng rất cao, có thể bị cản trở bởi các điều kiện không thuận lợi như độ cứng không đủ, mật độ cao, chi phí hơi cao và độ khó xử lý cao, và ít được sử dụng trong các lĩnh vực liên quan đến vây tản nhiệt;
Nhôm, là kim loại có hàm lượng cao nhất trong lớp vỏ Trái đất, được ưa chuộng do tính dẫn nhiệt cao, mật độ thấp và giá thành thấp. Tuy nhiên, do độ cứng thấp của nhôm nguyên chất, các vật liệu công thức khác nhau thường được thêm vào trong các lĩnh vực ứng dụng khác nhau để chế tạo hợp kim nhôm, hợp kim này có nhiều đặc tính mà nhôm nguyên chất không có và trở thành lựa chọn lý tưởng cho vật liệu gia công tản nhiệt.
Tản nhiệt hợp kim nhôm
Tình trạng nghiên cứu về hợp kim nhôm dẫn nhiệt chủ yếu được chia thành hai loại: nhôm biến dạng và nhôm đúc, mỗi loại có đặc điểm khác nhau.
Hợp kim nhôm biến dạng: Nghiên cứu hiện tại về tính dẫn nhiệt của hợp kim nhôm chủ yếu tập trung vào hợp kim nhôm biến dạng. Hợp kim nhôm biến dạng để dẫn nhiệt chủ yếu được sử dụng trong các lĩnh vực như ô tô và điện tử, như bộ tản nhiệt hợp kim nhôm, máy sưởi, điều hòa không khí, v.v.
So với tản nhiệt bằng đồng hoặc thép truyền thống, tản nhiệt bằng nhôm có những ưu điểm như trọng lượng nhẹ, khả năng chống ăn mòn tốt, chi phí vận hành thấp nên được sử dụng rộng rãi. Về mặt tản nhiệt máy tính, tản nhiệt nhôm đã trở thành xu hướng chủ đạo, thay thế cho tản nhiệt đồng/thép và quạt nhựa. Nhược điểm của hợp kim nhôm biến dạng là khó chế tạo các bộ phận chịu trách nhiệm về kết cấu.
Đúc hợp kim nhôm: Đúc thuộc quá trình tạo hình hóa rắn và hiện là quy trình tốt nhất để hình thành các bộ phận kết cấu phức tạp. Đối với hợp kim nhôm đúc, để đảm bảo hiệu suất làm đầy và tính chất cơ học của hợp kim, thường cần bổ sung thêm nhiều nguyên tố hợp kim. Silicon trong hợp kim nhôm đúc có thể cải thiện tính lưu động của hợp kim, nhưng khi hàm lượng silicon tăng lên thì độ dẫn nhiệt giảm. Do đó, khó khăn trong việc phát triển hợp kim nhôm đúc có tính dẫn nhiệt cao nằm ở việc đảm bảo tính lưu động tốt trong khi vẫn duy trì tính dẫn nhiệt cao thông qua thiết kế hợp kim và kiểm soát cấu trúc vi mô.
Ảnh hưởng của xử lý nhiệt đến độ dẫn nhiệt
Quá trình xử lý nhiệt của hợp kim nhôm chủ yếu bao gồm dung dịch rắn, lão hóa và ủ, và ảnh hưởng của chúng đến tính dẫn nhiệt là khác nhau.
Xử lý dung dịch rắn: Sau khi xử lý dung dịch rắn, độ dẫn nhiệt và hiệu suất khuếch tán nhiệt của hợp kim nhôm trong đó các nguyên tố tồn tại ở trạng thái dung dịch rắn thấp hơn so với ma trận hợp kim nhôm khi pha nguyên tố bị kết tủa. Lý do là sau khi xử lý dung dịch rắn, cấu trúc vật liệu trải qua những thay đổi đáng kể, một số nguyên tố hợp kim và pha tăng cường sẽ hòa tan trở lại trong ma trận, tạo thành dung dịch rắn siêu bão hòa, gây biến dạng mạng nghiêm trọng, tăng cường độ và giảm độ dẫn nhiệt.
Xử lý lão hóa: Xử lý lão hóa có thể được chia thành lão hóa ở nhiệt độ cao và lão hóa ở nhiệt độ thấp. Trong quá trình lão hóa ở nhiệt độ cao, quá trình khuếch tán nguyên tử diễn ra dễ dàng và tốc độ sửa chữa các chỗ trống và khuyết tật trật khớp trong hợp kim nhanh hơn. Độ dẫn nhiệt sẽ đạt giá trị cao nhất trong một khoảng thời gian ngắn. Khi thời gian kéo dài, độ dẫn nhiệt sẽ có xu hướng giảm, chủ yếu do dung dịch rắn của Si dư và các nguyên tố khác trong cấu trúc hợp kim và sự phát triển của các pha kết tủa ở nhiệt độ cao; Trong quá trình lão hóa ở nhiệt độ thấp, do sự khuếch tán nguyên tử chậm và sự hòa tan tối thiểu của các nguyên tố như Si ở nhiệt độ thấp hơn, thời gian để độ dẫn nhiệt đạt đến đỉnh cao dài hơn đáng kể so với quá trình lão hóa ở nhiệt độ cao và sự cải thiện độ dẫn nhiệt không được cải thiện. đáng kể như trong quá trình lão hóa ở nhiệt độ cao.
Xử lý ủ: Nhiệt độ ủ và phương pháp làm mát khác nhau có ảnh hưởng khác nhau đến độ dẫn nhiệt của hợp kim nhôm. Khi nhiệt độ ủ tăng, độ dẫn nhiệt giảm và mức độ giảm độ dẫn nhiệt thay đổi tùy theo các phương pháp làm mát khác nhau. Điều này là do khi nhiệt độ ủ tiếp tục tăng, nhiều pha thứ hai trong hợp kim nhôm hòa tan trong ma trận nhôm, dẫn đến sự gia tăng độ hòa tan rắn của các nguyên tố hợp kim, gây biến dạng mạng nghiêm trọng và cản trở chuyển động của các electron tự do, dẫn đến độ dẫn nhiệt giảm. Độ dẫn nhiệt thu được bằng phương pháp làm nguội chậm bằng lò cao hơn so với phương pháp làm nguội nhanh, vì tốc độ làm nguội càng chậm thì càng thuận lợi cho sự kết tủa của các nguyên tử dung dịch rắn.
Do đó, để đạt được độ dẫn nhiệt cao hơn, nên chọn phương pháp làm mát và nhiệt độ ủ thấp hơn bằng cách làm mát lò.
