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輕質高導熱碳質材料在雷達中的應用展望,中國化工網,okmart.com
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輕質高導熱碳質材料在雷達中的應用展望
2022年02月08日    閱讀量:     新聞來源:中國化工網 okmart.com  |  投稿

摘要:隨著電子技術的高速發展,電子設備集成程度越來越高,功率與能量密度越來越大。高導熱材料的應用技術逐漸成為電子散熱中的關鍵技術之一。高導熱的碳材料因輕質、高導熱、高強度、耐高溫、抗化學腐蝕等優異性能而成為近年來熱管理材料的研究熱點之一中國化工網okmart.com。主要闡述了高導熱碳材料的特點以及在雷達中的應用展望。


關鍵詞:高導熱;碳材料;雷達;散熱;熱管理


航空飛行器、導彈、衛星等內部電子載荷設備需要在特定的溫度條件下工作才能滿足使用的條件。隨著微電子技術和制導技術的發展,諸如雷達等載荷內部電子設備集成程度越來越高,能量密度越來越大,研發新型高效熱傳導和散熱材料成為了熱管理領域的關鍵性問題,單質碳材料及其復合材料因輕質、高導熱、高強度、耐高溫、抗化學腐蝕等優異性能而成為一種理想的熱管理材料。


碳材料的應用可分為兩種形式:一種是直接的應用,即碳材料以單一的單質材料或者全碳復合材料形式應用;另一種是間接的應用,碳材料作為填料或者改性材料。本文主要對高導熱碳質材料在雷達中的應用進行了展望。


1 高導熱碳材料概述

高導熱的碳材料按照結構形態可劃分為一維、二維與三維三種碳材料結構。一維高導熱碳材料以高導熱碳纖維中間相瀝青基碳纖維(MPCF)、氣相生長碳纖維(VGCF)、碳納米管(CNTs)、單向高導熱碳/碳(C/C)復合材料為代表,其主要特征為軸向的高熱導率。二維高導熱碳材料以石墨薄膜、石墨烯薄膜、石墨片、二維高導熱C/C復合材料等代表,其主要特征為面內方向的高熱導率。三維高導熱碳材料以石墨塊體、三維高導熱C/C復合材料、高導熱泡沫碳等為代表,其主要特征為三維結構,在多個方向上有較高熱導率。一般作為工程化應用的產品多以一維碳材料增強的復合材料(碳基、樹脂基、金屬基和陶瓷基)、二維和三維高導熱材料為主。表1為常見的一些高導熱碳材料與金屬材料性能對比。


表1 主要高導熱碳材料與金屬材料性能對比


輕質高導熱碳質材料在雷達中的應用展望 中國化工網,okmart.com


2 高導熱碳材料的導熱機理概述


依據現代熱傳導理論,包括金屬與非金屬材料在內的固體材料熱傳導均是依靠晶格原子的熱振動和自由電子的流動而實現的,圖1展示了金屬材料與非金屬材料的熱傳導方式。對于銅、鋁等金屬材料,自由電子的流動在熱傳導中占主導作用,而對于陶瓷等非金屬材料,晶格的熱振動起決定作用。量子理論認為晶格振動是量子化的,稱之為“聲子”。聲子熱導率由Makinson方程計算。

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圖1 金屬與非金屬的熱傳導方式對比


與其他非金屬材料不同,碳材料微觀結構的差異會影響聲子與自由電子流動在熱傳導中起到的作用,造成某些碳材料的導熱性能具有明顯的各向異性。譬如高導熱石墨片層上由于存在高活性的離域大π鍵,片層之間存在范德華力,因此沿著石墨片層方向(x -y 向)的熱導率遠大于垂直于片層方向(z向)的熱導率。微觀尺度下,石墨微晶越大,取向度越高,晶格缺陷越少,碳材料的熱導率越高,因此碳材料的熱導率與石墨微晶狀態高度相關。


3 應用展望


3.1 T/R組件殼體


T/R組件屬于相控陣雷達中的核心部件,對雷達整機性能有決定性的影響作用。隨著電子元件的發熱量不斷增加,一般要求T/R組件殼體有著與芯片材料相匹配的熱膨脹系數(一般為3×10-6~7×10-6 K-1)。


高導熱MPCF或者VGCF增強碳基復合材料(C/C復合材料)是以MPCF或者VGCF作為增強體,中間相瀝青基碳作為基體制備而成,MPCF/C復合材料熱導率一般為200~450 W/(m·K),VGCF/C復合材料可達到910 W/(m·K),C/C復合材料最大的使用難點在于熱膨脹系數(CTE)過低,常溫下的C/C復合材料甚至具有負熱膨脹系數特性,因此與芯片材料的熱膨脹匹配是一大難點。


由于SiC的CTE為4.7×10-6 K-1,而MPCF增韌的C/SiC復合材料CTE與 芯片材料熱膨脹系數也較為接近。雖然國內的C/SiC復合材料制備技術較為成熟,但是目前主要應用在高溫防護領域,對于高導熱C/SiC復合材料的研究涉及較少。


MPCF可以制備高性能的鋁基、銅基復合材料及鎂基復合材料,這些材料的熱導率為120~630 W/(m·K),CTE為0.5×10-6~8.0×10-6 K-1,也可滿足T/R組件封裝材料近期的性能要求,也是T/R組件殼體材料的發展方向之一。


3.2 熱管理


3.2.1 微波模塊中的元器件散熱


微波模塊中因為設計上采用大功率元器件,往往會在中間出現熱點(hotspots),其熱通量遠遠高于其他區域,要求散熱材料具有較高的橫向熱導率。一般情況下,微波模塊中需要采用導熱襯墊、導熱硅脂等散熱材料對大功率元器件進行散熱,但是導熱襯墊和導熱硅脂存在老化失效和熱導率低等缺點,而二維高導熱石墨(烯)薄膜所制備的導熱片則基本不產生老化問題,同時石墨薄膜x-y向的高熱導率可以擴大平面散熱面積,迅速消散熱點,同時將熱量通過平面快速傳送到機殼與框架。


通過化學氣相沉積方法可以獲得高純度、高性能的高導熱石墨烯薄膜。上海大學通過化學氣相沉積制備石墨烯薄膜并將其成功轉移應用到熱功率芯片上,提高了散熱效率,當熱通量為430 W/cm2時,單層和少數層石墨烯可以使熱功率芯片上熱點的溫度分別降低13 ℃與8 ℃。西安交通大學將單層不連續石墨烯、單層連續石墨烯和雙層連續石墨烯應用在功率芯片上散熱。韓國延世大學的Bae等將化學氣相沉積的石墨烯應用到柔性器件的散熱,也取得了不錯的效果。


3.2.2 彈載雷達


彈載雷達不同于地面、航空等平臺雷達,艙內電子設備散熱途徑非常有限,同時不斷提高的飛行速度產生了大量的外部氣動熱量,因此不能采用自然對流、強迫風冷或液冷等常規方式散熱,只能采用儲熱的方式實現對雷達內部的熱管理。


同時內部電子產品的局部功率密度越來越高,造成對應儲熱裝置的熱容需求也越來越高。體積、質量直接關乎導彈的戰斗能力,儲熱裝置在散熱途徑有限且熱容量接近飽和的情況下,難以通過增加體積、質量的方式來提升儲熱、散熱能力,因此,對提升儲熱裝置效能的研究是重要的研究內容之一,傳統的一些散熱方案已經難以滿足應用需求。因此使用中間相瀝青泡沫碳復合相變材料這種方法,以相變材料為儲能介質,解決了相變材料本質上的低熱導性,可以提升相變熱管理系統儲熱和散熱效率。


美國NASA噴氣動力實驗室采用高導熱瀝青基泡沫碳作為填充物,硝酸鋰作為相變材料,進行了應用于飛行器熱控的熱能貯存單元的改進研究,熱管理系統樣機如圖2所示,填充材料為低密度的Pocofoam TM泡沫碳,相變材料選擇Li-NO3-3H2O,并在其中添加0.3%的表面活性劑以浸潤泡沫碳。結果表明,樣機模塊的能量貯存容量為40 kJ/kg,并具有優異的導熱性能,即使是在高的功率水平下,模塊依然可以保持很小的溫度梯度。


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圖2 瀝青基泡沫碳/硝酸鋰熱管理系統樣機


3.2.3 星載雷達


中間相瀝青泡沫碳材料與PCM 復合后可用于衛星天基雷達大平面相控陣天線的被動式熱控制,衛星在近地軌道上運行時由于晝夜交替以及雷達電子裝置的開、關過程中引起的溫度變化得到很好的控制,并提供接近等溫的運行環境,可以減小天線面密度的設計,顯著減少了天線結構質量。


3.2.4 小型機載雷達


小型機載雷達的工作時間長,同時集成度越來越高。由于空間限制,液冷的使用往往受限,而越來越大的熱流密度使風冷效率遭遇瓶頸,機載雷達也不能僅采用相變儲能系統進行熱管理,因此通過合理的熱設計(如采用風冷+相變熱管理復合形式)有望改善雷達的散熱瓶頸,泡沫碳材料與高熱容量相變材料組合可以發揮熱能貯存和調節作用,僅在溫度超過一定閾值后才發揮作用。參考美國空軍Wright-Patterson基地設計的一種閉路循環冷卻熱管理系統,將泡沫碳/石蠟復合材料應用于機載武器載荷的熱管理系統。瞬間高溫熱負荷首先轉移到泡沫碳/石蠟復合材料,再通過換熱器進一步換熱。采用泡沫碳/石蠟復合體作為熱管理系統的一部分發揮熱能貯存作用,在最熱的時候發揮作用。


3.3 機、熱一體化復合材料天線


MPCF具有極好的熱導率,在高低溫環境下有極好的尺寸穩定性,因此通過MPCF增強的高導熱樹脂基復合材料金屬化后可獲得具有良好機、電、熱性能的輕量化天線。


3.4 印制電路板


印制電路板(PCB)作為電子設備和器件的基礎支撐體,在雷達設備中被廣泛應用。傳統的印制電路板采用的大面積覆銅的作用之一即散熱,采用石墨/銅復合材料取代傳統的印制板覆銅層,理論上可以使導熱性能提升25%,大幅提高印制板的散熱效率。同時石墨烯材料有望可以取代傳統的PCB銅導體層,武漢理工大學何大平和沈杰開發了一種石墨烯PCB材料并將其應用于5G通信毫米波天線陣列,如圖3所示。

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圖3 柔性石墨烯PCB


4 結論


雷達等電子裝備領域對各類高導熱材料的需求較為迫切,而在高導熱碳材料領域國內與國外技術差距很大,國外在高導熱碳纖維、高導熱泡沫碳、高導熱C/C復合材料等方面已經實現了工程化應用。同時在高性能中間相瀝青原材料、MPCF、高導熱泡沫碳和高導熱C/C材料方面,我國與美日等發達國家差距巨大。未來需培養多學科領域的交叉人才,提升對于高導熱碳材料的認知水平,以實現高導熱碳材料在雷達等電子裝備上的工程應用。


標簽:改性塑料,工程塑料,化工應用,技術中心,今日頭條,聚合物,塑料,塑料原料,塑料制品,橡膠,橡膠原料,橡膠制品
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