НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА

НОВЫЕ РАЗРАБОТКИ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА

Юшкина Надежда Владимировна

 

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 [Рис. 1], 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.

Рисунок 1. Кристаллическая структура композитного материала

 

Формулировка нового композитного материала, как продукта

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, 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.

Новый материал может получить свои необычные свойства, благодаря соответствующим технологическим приёмам, которые благодаря своей оригинальности, становятся базовыми для оригинального комплексного технологического процесса - объекта базового изобретения и серии аппликативных изобретений, направленных на развитие и усовершенствование свойств указанных композитных материалов и их производных.

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 состоянию на сегодняшний день известны следующие композитные материалы, используемые для аналогичных целей:

Медь-вольфрам

Медь-молибден

Алюминий карбид-кремний

Алюминий-кремний

Нитрид алюминия

Синтетический одно-кристаллический алмаз

Химический алмаз

Алмазно-медный композит. У этого композита обозначение: DMCH - Diamond-Copper Composite (Diamond Metal Composite for Heat Sink). Его производит компания - SUMITOMO ELECTRIC USA, INC. По информации этой компании термическое сопротивление и термическая проводимость у этого композита всего в три раза лучше чем у ординарных композитов. Современные электронно-оптические системы требуют гораздо более высоких показателей, в 4-5 раз лучше, чем у ординарных композитов. Такие результаты может дать предлагаемый нано-композитный материал.

У компании SUMITOMO ELECTRIC на указанный композит имеется патент за номером № 6,270,848 от 7 августа 2001 года. Предлагаемое техническое решение по отношению к этому патенту имеет следующие преимущества:

- в нашем композите есть только два компонента - алмазные сферы (зёрна) и медные оболочки к ним;

- в нашем композите имеется теплорассеивающий эффект;

- в нашем композите имеется токорассеивающий эффект;

- у нашего композита электрическое сопротивление эквивалентно электрическому сопротивлению меди;

- наш композит формируется и калибруется с использованием эффекта хладно-текучести меди;

- наш композит имеет высокую механическую прочность, благодаря калибровке методом создания состояния хладно-текучести;

- наш композит имеет высокий уровень электропроводности, благодаря калибровке методом создания состояния хладно-текучести;

- наш композит имеет более точные размеры, благодаря калибровке методом создания состояния хладно-текучести (cold drawn of metal or cold metalicity liquid state);

- наш композит имеет более высокий уровень тепло-проводимости , благодаря очень малым размерам капсул (нанометры) и благодаря калибровке методом создания состояния хладно-текучести;

В приложении имеется информация ещё по 3 патентам с той же или эквивалентной тематикой.

Технологические процессы по изготовлению алмазных нано порошков с практически равными размерами гранул являются новыми и не использовались ранее на предприятиях мира.

Технологические процессы по покрытию алмазных нано порошков медью также являются новыми.

В качестве примера использования композитного материала, можно рассмотреть упаковку и корпус полупроводникового лазера (лазерного диода).

 Для примера можно рассмотреть лазерный диод с мульти-лучевым  излучением и выходной оптической мощностью в 1 ватт. Для управления работой диода необходимо для получения выходной мощности в 1 ватт подать как минимум 1 Ампер тока. Напряжение, с учётом внутреннего сопротивления самого лазерного диода и управляющей электронной системы составит как минимум 2 вольта.

Таким образом общая потребляемая мощность составит 2 ватта ,при реальной выходной мощности в 1 ватт. Коэффициент потерь мощности 50% - это лучший показатель известный на сегодня.

То есть наименее нагруженный лазерный диод с мульти - лучевым излучением 1 ватта энергии.

Стандартный корпус для такого типа диодов имеет обозначение SOT-148 и диаметр его монтажного фланца составляет 9 мм. Для того, чтобы рассеять такое громадное удельное количество тепла и нужен композитный материал, способный от гетероструктуры лазерного диода, размеры которой не превышают размеров стандартного полупроводникового кристалла интегральной схемы, отвести тепло, возникающее от преобразования в тепло энергии мощностью в 1 ватт.

Номинальная рабочая температура в зоне расположения гетероструктуры не может превышать плюс 25-27 градусов Цельсия.

Для того, чтобы осуществить трансфер такого количества тепла, гетероструктуру припаивают к композитному носителю, который рассеивает тепло на корпус диода, который в свою очередь отдаёт возникшее тепло в охлаждающую (термический - электрический охладитель) систему.

Чем более эффективен материал, тем более эффективна работа лазерного диода, включая стабильность, долговечность и выходную мощность.

Проблема является гораздо более острой при необходимости отвести тепло от одно - лучевого  диода, так как у такого типа диодов сечение луча представляет собой окружность диаметром не более 0,6 микрона.

В этом случае концентрация энергии ещё более высокая и функция отвода и рассеивания тепла становится ещё более важной.

Учитывая тот факт, что только для нужд всевозможных видео систем, систем оптической памяти, оптических накопителей памяти к персональным компьютерам и тому подобным изделиям необходима система лазерных источников света, в различных областях спектра, количество лазерных диодов, только для этих нужд составляет в год более 100 миллионов штук.

В основной массе сегодня оптическая мощность применяемых лазерных диодов составляет приблизительно 80 милливатт, однако работающих в красном диапазоне спектра и однолучевых, так что применение нового эффективного композита является исключительно актуальным

 

 

Рисунок 2. Структура алмазных сфер композитного материала (вид сверху в сечении, и в трёхмерной изображенной модели)

 

Предлагаемый композитный материал после завершения всех операций по его изготовлению, приобретает вид законченной геометрической структуры, например призмы, которую необходимо рассматривать как токопроводящий объект, в объёме которого равномерно распределены диэлектрические сферы, изготовленные из синтетических алмазов. Сечение такого проводника достаточно велико, и благодаря развитой объёмной структуре, у такого проводника невысокое электрическое сопротивление. Поскольку в объёме токовой проводящей структуры имеются вкрапления из алмазных зёрен/сфер [Рис. 2], которые не являются проводником тока, ток огибает эти зоны в теле структуры и проходит только в токовый проводящий объём. Такая схема рассеивания или распределения тока по относительно большому сечению позволяет резко снизить потери и ускорить прохождение тока. В случае необходимости рассеять тепло, данная структура представляет собой узлы, в которых расположены алмазные сферы, термическое сопротивление которых в 4-5 раз ниже чем в целом по структуре, поэтому тепло устремляется в узлы указанной решётки и это обеспечивает очень быстрый отток (рассеивание) тепла от источника его возникновения. То есть в обоих случаях создаётся феномен пятнистого трёхмерного распределения зон с различными удельными коэффициентами теплопроводности и электрической  проводимости.

Кроме этого размеры капсул в масштабе нанометров и финишная пластическая деформация в режиме хладно-текучести, позволяют значительно уменьшить зазоры между капсулами, что повышает эффективность отбора и рассеивания тепла и токовых импульсов.

Расчётный и ожидаемый эффект при рассеивании тепла в 4-5 раз превышает самые лучшие показатели в существующих технических решениях.

Исходя из наличия положительного эффекта от использования композитного материала, можно предположить варианты направлений развития и разработки следующих аппликаций для различных сфер применения:

 

Рисунок 3. Схема композитного материала в сечении, показывающая ядра и оболочки компонентов (серым обозначены ядра капсул, а голубым обозначены оболочки капсул)

 

Ядро капсулы - керамика;               Оболочка капсулы - медь; серебро;      алюминий; никель;

     - вольфрам;                                -  медь; серебро; никель; алюминий;

     - железо ;                                    -  алюминий; медь;

     - бериллий;                                 -  алюминий;

     - магний ;                                    - алюминий;

     - кремний ;                                  - медь; серебро; золото ;

     - цирконий ;                                - алюминий;

     - алмаз ;                                      - медь; серебро; золото;

     - ситалл ;                                   - медь; серебро; золото;

     - твёрдый сплав ;                   -  медь; алюминий; кобальт; молибден

 

Пример применения композитного материала в составе:

Бериллий-алюминий;

Магний-алюминий;

Из этих композитов [Рис. 3.] возможно изготовление основ жёстких магнитных дисков для накопителей памяти ЭВМ. Такие диски, благодаря своим техническим характеристикам, имеют возможность работать при частоте вращения до более чем 20000 RPM.

Эти материалы также открывают новые возможности в следующих областях:

- создании гибридных дисков [Рис. 4.];

- технологиях покрытий в микроэлектронике;

- создании активирующих присадок для топлива;

- для изготовления промышленных деталей [Рис. 4.];

 

Рисунок 4. Промышленная деталь и гибридный диск, изготовленные из композитного материала

 

Ввиду того, что предлагаемое техническое решение затрагивает и может быть применено в целом ряде технологических направлений в самых разных сферах, для защиты указанного технического решения, так называемой базовой технологии, представляется целесообразным оформить базовый заявочный материал на патент, который необходимо выполнить в как можно более общей форме, применяя общие определения.

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 ватт в течении 72 часов.

Дополнительные возможности, которые даёт использование предлагаемого материала:

- изготовление корпусов приборов из одного и того же материала с гомогенной монотонной структурой;

- выполнение корпусов и несущих деталей электронных приборов в виде токопроводящей системы, способной в случае внезапных пиковых пульсаций тока или внезапных пиковых пульсаций температуры в кратчайшее время рассеивать или аккумулировать избыточную часть внезапно возникшей энергетической нагрузки;

- возможность совмещать токоведущие и тепловедущие функции в одном и том же конструктивном элементе;

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 композитного материала

Одним из главных преимуществ композитного материала является 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.

Примеры внедрения композитного материала в технологии и устройства [Рис. 5; 6; 7]:

 

Рисунок 5. Устройство USB-флеш-накопитель со встроенным кодовым, шифрующим чипом ( обозначен фиолетовым), изготовленным из композитного материала

 

Рисунок 6. Фрагмент системы контрольного и измерительного модуля

 

Рисунок 7. Трёхмерная модель модуля, в котором использованы различные модификации композитных материалов, в том числе с использованием наносфер из искусственных алмазов