最近，美國東北大學(xué)的工程師開(kāi)發(fā)了一種新的陶瓷材料，可以壓鑄成復雜而薄的零件。據稱(chēng)，這一突破可能會(huì )在包括手機在內的電子領(lǐng)域開(kāi)辟新的應用領(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(lái)自一次實(shí)驗室事故。2021年7月，研究人員正在測試一種實(shí)驗性的陶瓷化合物。理論上，當陶瓷受到極端的熱變化和機械壓力時(shí)，很容易因熱沖擊而開(kāi)裂甚至爆炸。
然而，當研究人員用噴燈噴灑它時(shí)，陶瓷意外變形并從夾具上脫落。我以為實(shí)驗失敗了，但最后發(fā)現樣品完好無(wú)損，只是形狀不同。經(jīng)過(guò)幾次實(shí)驗，研究人員意識到他們可以控制它的變形。于是，他們開(kāi)始壓縮陶瓷材料，發(fā)現這個(gè)過(guò)程非常快。
對這種陶瓷的進(jìn)一步研究揭示了其底層的微觀(guān)結構，這使得它可以在成型過(guò)程中快速傳熱，實(shí)現熱量的有效流動(dòng)。研究人員表示，這種陶瓷可以形成精致的幾何形狀，在室溫下表現出優(yōu)異的機械強度和導熱性。這種熱成型陶瓷是一個(gè)新的材料領(lǐng)域。
該研究的作者說(shuō)，“這是獨一無(wú)二的:從我們所看到和讀到的來(lái)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(gè)新前沿。”
2、加工過(guò)程
從初始漿料到最終熱成型，加工過(guò)程總共分為五個(gè)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。漿料表現為Hershel-Buckley流體，振動(dòng)可使其流動(dòng)。隨后，漿料被刮涂成薄膜，剪切力作用可提高hBN的面內取向，提高層內對齊。隨后，利用紫外光將其固化。在梯度升溫并燒結過(guò)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(shí)，氧化硼（B2O3）會(huì )熔化，使材料再次表現出粘性和可塑性，通過(guò)施加足夠的熱量（500~700 °C）、壓力和成型時(shí)間（＞10 min），就可以實(shí)現結構件的熱成型加工，甚至制成復雜的人臉模型（下圖a）。除了便于加工，CMC材料具有較高的導熱率，垂直平面的熱導率為3.52±0.67 W mK?1，由于平面內hBN的剪切取向，面內熱導率可達12.8 W mK?1。盡管氧化硼的引入使材料的熱導率低于純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(lái)改善電子設備的散熱性能。
為了探索CMC材料在實(shí)際散熱中的應用，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 有望應用于電子產(chǎn)品
“我們材料的厚度不到一個(gè)毫米，這是一種簡(jiǎn)單的解決方案，可以被塑造成合適的形狀，替代手機中厚重的鋁散熱器，將熱量從設備中帶走”，研究人員說(shuō)。“陶瓷材料不會(huì )干擾手機和其他系統的射頻信號”，研究人員補充說(shuō)。
就電子應用而言，它的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是作為導熱體效率高，可以冷卻高密度的電子產(chǎn)品。一般來(lái)說(shuō)，手機等電子產(chǎn)品都配有很厚的鋁層，這是吸收設備熱量所必需的。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(huì )傳輸電子，不會(huì )干擾無(wú)線(xiàn)電頻率。機研究人員說(shuō):“這種基于聲子晶體的陶瓷允許熱量流動(dòng)，而無(wú)需電子傳輸。它不會(huì )干擾手機和其他系統的無(wú)線(xiàn)電頻率。”
研究人員總結稱(chēng)，未來(lái)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。