Razvojni trend materiala za toplotni vmesnik
Visoke temperature lahko škodljivo vplivajo na stabilnost, zanesljivost in življenjsko dobo elektronskih komponent. Med elektronskimi komponentami in hladilnimi telesi so pogosto majhne reže, zaradi česar je dejanska kontaktna površina le 10 % osnovne površine hladilnega telesa, kar resno ovira prenos toplote. Uporaba toplotnega vmesnega materiala za zapolnitev vrzeli lahko znatno zmanjša kontaktni toplotni upor in zagotovi, da se toplota, ki jo ustvarijo grelne elektronske komponente, pravočasno odvaja.
S prihodom dobe interneta stvari se integracija elektronskih izdelkov še naprej izboljšuje. Poleg tega je uvedba visokofrekvenčnih signalov in nadgradnja strojnih komponent pripeljala do podvojitve števila priključenih naprav in anten, kar ima za posledico stalno večanje porabe energije in hitro naraščanje proizvodnje toplote. Material toplotnega vmesnika ima odlično toplotno prevodnost in močno okoljsko prilagodljivost, kar zagotavlja močno pomoč pri visoki integraciji in miniaturizaciji opreme in naj bi postale najbolj moteče in transformativne rešitve za upravljanje toplote.
Kar zadeva industrijo, elektronska industrija, ki jo predstavljajo trije vroči sektorji, postavlja vse več zahtev po naprednih sistemih za upravljanje toplote in materialu za toplotni vmesnik:
Inteligentna zabavna elektronika:Elektronski izdelki pametnih telefonov in tabličnih računalnikov imajo tesno in visoko integrirano strukturo, nenehno izboljševanje gostote toplotnega toka pa postavlja vse višje zahteve za sisteme za upravljanje toplote.
Komunikacijska oprema:komunikacijska oprema postaja vse bolj zapletena, poraba energije narašča, toplotna vrednost pa hitro narašča, kar bo prineslo veliko inkrementalno povpraševanje po materialu za toplotni vmesnik.
Avtomobilska elektronika:na eni strani je delovna temperatura elektronskega krmilnega modula motorja, modula za vžig, napajalnega modula in različnih senzorjev izjemno visoka; po drugi strani pa je moč baterije novih energetskih vozil ogromna, tradicionalno zračno in vodno hlajenje pa nista dovolj za obvladovanje velikega odvajanja toplote. Obstaja nujno in osebno povpraševanje po materialu za termični vmesnik.
Poleg tega morajo naprave, ki se uporabljajo v letalstvu, vesolju, vojski in na drugih področjih, običajno delovati v težkih okoljih, kot so visoka frekvenca, visoka napetost, visoka moč in ekstremne temperature, ter zahtevajo visoko zanesljivost, dolg delovni čas brez napak in izjemno visoke celovite zahteve glede zmogljivosti za materiale za odvajanje toplote.
Po podatkih raziskave BCC se je obseg svetovnega trga materiala za toplotne vmesnike povečal s 716 milijonov dolarjev leta 2014 na 937 milijonov dolarjev leta 2018, s skupno letno stopnjo rasti 7,4 %. Pričakuje se, da bo velikost trga leta 2021 dosegla 1,08 milijarde dolarjev. Med njimi bo azijsko-pacifiška regija presegla 812 milijonov ameriških dolarjev, Evropa približno 113 milijonov ameriških dolarjev, Severna Amerika približno 101 milijon ameriških dolarjev in druge regije približno 54 milijonov ameriških dolarjev.
Toplotno prevodni kompoziti na osnovi polimerov imajo prednosti nizke gostote, odličnih dielektričnih lastnosti, nizkih cen surovin in enostavne obdelave, vendar je toplotna prevodnost toplotno prevodnih kompozitov na osnovi polimerov relativno nizka. Anorganski nano materiali, kot so aluminijev oksid, aluminijev nitrid, silicijev karbid, borov nitrid in ogljikove nanocevke, lahko učinkovito izboljšajo toplotno prevodnost polimernih materialov, vendar bodo anorganska polnila naredila polimerne materiale krhke in trde. Trenutno ni dobre rešitve za ta problem, mednarodni in domači trg pa sta v bistvu na istem tiru.
Idealen material za toplotni vmesnik bi moral imeti naslednje značilnosti: visoko toplotno prevodnost, visoko fleksibilnost, površinsko omočljivost, ustrezno viskoznost, občutljivost na visok pritisk, dobro toplotno in hladno stabilnost, možnost ponovne uporabe itd. Zato je treba obravnavati dodatna vprašanja:
Prvič, pri načrtovanju kompozitov na osnovi polimerov je potrebna naprednejša zasnova ojačitve za izboljšanje toplotne prevodnosti ob zagotavljanju mehanskih lastnosti;
Drugič, kar zadeva pripravo in predelavo materiala, je treba izboljšati vmesno vez med polnili, ojačitvami in matriko, da dobimo idealno konfiguracijo kompozitnega materiala;
Tretjič, kar zadeva temeljne teoretične raziskave, je treba nadalje razumeti fononsko toplotno prevodnost v več merilih, mehanizem prevodnosti nosilcev, mehanizem za spajanje fononskih elektronov, kompleksen transportni mehanizem elektronov in fononov na vmesniku itd., da se zagotovi teoretična podlaga za zasnova materiala toplotnega vmesnika.
