COMPOSITE MATERIALS AND THEIR TECHNICAL APPLICATIONS

КОМПОЗИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИХ ТЕХНИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Юшкина Надежда Владимировна

магистр геолого-минералогических наук, геммолог, Санкт-Петербургский Государственный Университет,

РФ, г. Санкт-Петербург

COMPOSITE MATERIALS AND THEIR TECHNICAL APPLICATIONS

Nadezhda Iushkina

Master of Geological and Mineralogical Sciences, gemologist Saint Petersburg State University,

Russia, St. Petersburg

Новейшие направления развития инновационных технологий и продуктов содержащих в модулях управления и контроля элементы искусственного интеллекта и искусственных нейронных сетей, постоянно требуют применения новых материалов, в значительной степени композиционных, обладающих необычными свойствами и техническими характеристиками.

Мой значительный опыт в геммологии и более 7 лет работы с драгоценными камнями, позволил провести исследование и разработать основы и рекомендации по применению синтетических драгоценных камней, в частности искусственных алмазов при производстве «умных» композитных материалов.

Я предлагаю вниманию читателей информацию и предложения по формированию и использованию таких композитных материалов.

Далее следует информация о такого рода - умных композитных материалах, чрезвычайно востребованных и постепенно интегрируемых в новых «умных» технологиях и изделиях, таких как «умный дом», «умные очки», «умные электроавтомобили» и так далее.

Предложен Композитный материал, имеющий высокие теплопроводные свойства, а также имеющий при этом высокие электропроводные свойства, способный в течении очень коротких промежутков времени воспринять и рассеять значительные количества энергии и тепла; воспринять и передать значительные количества энергии на расстояние и имеющий при этом максимальную механическую прочность, обладающий максимальной надёжностью при сохранении точных геометрических форм под воздействием высоких концентраций температур, энергии и других видов экстремальных воздействий.

Формулировка нового композитного материала, как продукта (Рис. 1.):

Рисунок 1. Кристаллическая структура композитного материала

В современном мире композитные материалы широко известны и успешно применяются во всех отраслях промышленности и электроники. Композитный материал, о котором пойдет речь, имеет ряд собственных характеристик:

- композитный материал имеет развитую объёмную структуру, состоящую из множества одинаковых многоуровневых сферических оболочек, покрывающих сферические ядра компонента; ядра с оболочками (капсулы) скреплены между собой посредством ряда последовательных технологических операций и имеют эквивалентную для всех капсул структуры форму контакта между собой;

- композитный материал имеет свойства сверх теплопроводности и сверх  электропроводности;

- композитный материал имеет высокую механическую прочность, не склонен к возникновению внутренних механических и температурных напряжений и как следствие этих явлений - возникновению внутренних деформаций;

- композитный материал способен подвергаться воздействию высоких давлений и способен под воздействием этих давлений по крайней мере для части компонентов входить в режим хладно-текучести, что позволяет калибровать трёхмерную геометрическую форму структуры и обеспечивать с высокой степенью повторяемости очень точные геометрические размеры структуры;

- композитный материал, являющийся одновременно проводником электрического тока и эффективным тепло проводником, имеющий развитую трёхмерную токопроводящую структуру, с равномерно распределёнными в ней узлами (микросферами), точками максимальной теплопроводности, не являющимися проводниками электрического тока;

(то есть выполненными из материала с максимально возможной теплопроводностью, например алмаза, у которого коэффициент теплопроводности равен 1200, и который не является проводником электрического тока);

Материал имеет вид трёхмерной решётки, в узлах которой расположены алмазные сферы, которые являются лучшим из известных тепло проводников, отделённые в трёхмерном пространстве структуры друг от друга медными оболочками, являющимися отличным теплопроводником.

Таким образом для электрического тока (наиболее важно для тока в импульсном режиме) композитная структура является неким псевдо-пористым объёмом, так как по всему указанному объёму токопроводящего материала, равномерно распределены диэлектрические сферические пространства, соизмеримые по размерам с размерами токопроводящего пространства;

Этот факт способствует достаточно быстрому и равномерному рассеиванию тока с одной стороны и быстрому, эффективному, равномерному рассеянию тепла с другой стороны, явлениям имеющим место в одном и том же объёме материала;

- В качестве материала для оболочек предусмотрены самые пластичные из известных материалов, например - медь или серебро, которые обладают и максимальной из известных материалов электропроводностью; при воздействии высоким давлением в замкнутом объёме, указанные металлы возможно довести до состояния хладно-текучести;

- При условии приложения высокого давления в трёхмерном замкнутом объёме, характер и форма взаимодействия между капсулами в структуре модифицируются, что позволяет формировать изделия с необходимыми техническими и технологическими кондициями, которые невозможно получить при применении обычных технологий.

Определения технологии производства композитного материала:

Метод изготовления псевдо-пористого композитного материала, представляющего собой множество нано-капсул, скреплённых между собой в трехмерную структуру, подвергнутую на завершающей стадии изготовления объёмной пластической калибрующей деформации в режиме хладно-текучести для материала пластичных оболочек нано-капсул. Технологии производства нано-порошка из алмазов и последующего покрытия его медью или другими пластичными металлами, техника относительно известная с точки зрения принципов технологии, однако на последующих этапах проекта, требующая относительной модификации.

По мере разработки аппликаций технологии и расширения области её применения, предусмотрен выпуск дополнительных патентных аппликаций (CIP).

Основная цель преследуемая и поставленная в базовом изобретении

- повышение уровня эффективности материала в части теплопроводности и рассеивания тепла; скорости отвода тепла от источников нагрева и надёжности процесса отбора и утилизации тепла в течении длительной работы объекта, в котором стабилизируется уровень температурных пульсаций;

- повышение уровня эффективности материала в части электропроводности и рассеивания тока; исключения потерь тока при прохождении через структуру и надёжности процесса прохождения и рассеивания тока в течении длительного периода работы;

Технические решения, которые применяются для достижения цели:

- уменьшение диаметра капсул до минимума, позволяемого технологией их производства: чем меньше размер сферы, тем эффективнее будет конечный композит;

- калибровка геометрической формы структуры за счёт пластической деформации оболочек капсул в режиме хладно-текучести; это уменьшает объём пустот в промежутках между капсулами, снижает электрическое и термическое сопротивление, улучшает механические характеристики структуры и удаляет внутренние напряжения.

Разработка заявочных материалов на техническое решение

Материалы, по их свойствам и характеристикам, можно разделить на следующие категории:

-  токопроводящие и токорассеивающие;

-  теплопроводящие и теплорассеивающие;

-  токопроводящие и теплорассеивающие;

-  теплопроводящие и токорассеивающие, композитные соединения на базе компонентов в виде сферических многослойных капсул имеющих размерный фактор в нано-метрическом диапазоне.

Международная классификация изобретений:    Int.Cl.- B32B 9/00

Национальная классификация США:                                428.408

Предполагаемый прототип - патент США:   6,541,115 В2  от 1 апреля 2003 года

Описание изобретения

Трёхмерная, композитная структура, включающая множество, имеющих эквивалентную (тождественную) геометрическую форму и состоящих каждый, по крайней мере из двух слоёв слоистых компонентов, находящихся в контакте друг с другом, и формирующих при этом законченную трёхмерную геометрическую форму, в которой указанные компоненты равномерно и эквивалентно распределены по всему объёму материала и формируют равные условия электрического и термического взаимодействия между собой, причём однотипные слои у всех компонентов разделены между собой однотипными слоями из тех же компонентов.

Трёхмерная структура, отличающаяся тем, что каждый слой у каждого компонента представляет собой закрытую трёхмерную геометрическую фигуру.

Трёхмерная структура, отличающаяся тем, что каждый последующий слой у каждого компонента охватывает всю поверхность предыдущего слоя у каждого компонента.

Цель, поставленная в указанной теме:

- повышение мощности электронных приборов, в которых предполагается использовать предлагаемые материалы;

- уменьшение габаритов электронных приборов, в которых предполагается использовать предлагаемые материалы;

- повышение уровня надёжности электронных приборов, в которых предполагается использовать предлагаемые материалы;

- удлинение срока жизни электронных приборов, в которых предполагается использовать предлагаемые материалы;

- повышение общей эффективности электронных приборов, в которых предполагается использовать предлагаемые материалы.

Предлагаемый композитный материал способен принципиально изменить условия эксплуатации и рабочие характеристики высокоэнергонасыщенных электронных приборов, а также позволяет создать новое поколение электронных приборов, в гораздо меньшей степени зависящих от тепловых характеристик системы. Это особенно важно для мощной импульсной техники, имеющей мощность на пике импульса больше, чем номинальная мощность прибора.

В качестве примера можно привести одномодовый полупроводниковый лазер с номинальной выходной оптической мощностью в 300 миливатт и длиной волны в 780 нанометров, который будучи подключён к управляющему электронному модулю , работающему в радиочастотном диапазоне (100 мегагерц) на пике импульса длительностью в 10 наносекунд, повторяющемся каждые 10 наносекунд, показал выходную оптическую мощность равную 3,1 ваттт в течении 72 часов.

Изобретения, связанные с данным композитным материалом

В ходе исследований предлагаемого композитного материала было изобретено следующее:

- структура многослойной (многоуровневой) капсулы;

- геометрическая форма многослойной (многоуровневой) капсулы;

- порядок чередования слоёв (уровней) в сферической капсуле;

- порядок и геометрия расположения сферических капсул в трёхмерной структуре изделия;

- технологический принцип изготовления изделия;

- введение в процесс изготовления - операции калибрования геометрической формы изделия, после первого этапа прессования;

- выполнение операции калибрования в трёхмерной системе координат;

- выполнение операции калибрования при состоянии материала наружного слоя (оболочки) капсулы близкого или эквивалентного состоянию хладно-текучести;

- удаление при калибровании всех незаполненных токопроводящим материалом полостей из трёхмерного пространства изделия;

- формирование в трёхмерном пространстве изделия псевдо-губчатой структуры, при этом роль разделяющих точек в указанной структуре играют менее пластичные материалы из тех, которые использованы в композите капсулы;

- использование структуры изделия для рассеивания тепла и тока по всему объёму;

- использование подобной структуры изделия для абсорбции (поглощения) излишков энергии, возникающих во время пиковых моментов импульсного режима работы изделия;

- использование состояния хладно-текучести для снятия внутренних напряжений в материале и размерной калибровки в трёх координатах одновременно;

- сочетание материалов в иерархии оболочек сферической формы капсулы таким образом, что каждый последующий слой выполнен из менее твёрдого и более пластичного материала;

- сочетание материалов в иерархии ядра и оболочек сферической формы капсулы таким образом, что ядро выполняется всегда из наиболее твёрдого материала из всех материалов применённых при создании капсулы;

- применение в качестве основного принципа калибровки - сохранение без деформаций твёрдого ядра сферы и максимальный уровень пластической деформации пластичных материалов периферийных слоёв сферы капсулы;

- применение для калибровки высокого удельного давления в замкнутом трёхмерном пространстве;

- применение принципа равномерного распределения давления по всем координатам (осям) замкнутого трёхмерного пространства;

- подбор толщин пластически деформируемых слоёв таким образом, что минимальная толщина слоя больше или равна диаметру ядра капсулы;

Основной признак композитного материала, сформированного из сферических многослойных капсул, в две стадии, из которых первая стадия предусматривает введение сфер в контакт по наружной сферической поверхности и такой контакт является точечным; вторая стадия предусматривает помещение промежуточной заготовки в геометрически эквивалентный расчётной форме изделия трёхмерный замкнутый объём и экстремальное воздействие на заготовку при помощи высокого давления, распространяющегося по всем осям и координатам указанного объёма, причём уровень удельного давления обеспечивает доведение пластичных слоёв до состояния хладно-текучести и трансформирует контакт между сферами в полный контакт по контактным  плоскостям и при этом заготовка принимает вид,- псевдо губчатой структуры, в которой по объёму пластичного токопроводящего материала равномерно распределены ядра или полупроводника; или керамики; или алмаза; или проводника с определёнными свойствами.

Преимущества Композита:

Сверх теплопроводящая, сверх электропроводящая композитная трёхмерная структура, обеспечивающая:

- максимальное рассеивание тепла;

- максимальное поглощение тока;

- низкое электрическое сопротивление;

- низкое термическое сопротивление;

- низкий уровень потерь тока при прохождении его через структуру;

- максимальную скорость прохождения импульсных сигналов при минимальных потерях энергии;

- максимальный уровень абсорбции энергетических импульсов, возникающих с высокой частотой и имеющих небольшую длительность, сопоставимую с частотой импульсов, причём на пике импульса энергетическая насыщенность имеет максимальное значение как минимум в два раза превышающее номинальное.

К числу косвенных преимуществ можно отнести следующее:

- материалы и нано сферы для использования в качестве ядра капсулы выпускаются серийно на базе нескольких тождественных технологических процессов, и при необходимости могут быть получены;

- технологические процессы для нанесения или построения последующих после ядра слоёв (оболочек) известны и опробованы;

- технологические процессы объёмной калибровки используются в технике холодного выдавливания, при производстве прессформ, матриц и т.п.

Предлагаемое техническое решение может стать предметом изобретения.

Наиболее предпочтительная форма защиты - интегративный патент.

В результате придания окончательной геометрической формы можно получить исключительно высокое качество поверхности структуры, без дополнительной механической обработки и при необходимости произвести на этой поверхности покрытие токопроводящей плёнкой из искусственного алмаза, на которую можно крепить или паять электронный компонент.

Таким образом структурно патентную заявку можно представить в виде интегративной иерархии, состоящей из взаимосвязанных отличительных физических, конструктивных и технологических признаков, на основании которых формируются конечные свойства предмета изобретения.