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，這種全新的材料實際上來自一次實驗室事故。2021年7月，研究人員正在測試一種實驗性的陶瓷化合物。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。我以為實驗失敗了，但最后發(fā)現(xiàn)樣品完好無損，只是形狀不同。經(jīng)過幾次實驗，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)這個過程非常快。
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，熱成型陶瓷實際上并不存在。所以這是材料領(lǐng)域的一個新前沿。”
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。“陶瓷材料不會干擾手機(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。”
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。