轻质高导热碳质材料在雷达中的应用展望

云脑智库 2021-05-10 00:00


信息来源:电子工艺技术


摘要:随着电子技术的高速发展,电子设备集成程度越来越高,功率与能量密度越来越大。高导热材料的应用技术逐渐成为电子散热中的关键技术之一。高导热的碳材料因轻质、高导热、高强度、耐高温、抗化学腐蚀等优异性能而成为近年来热管理材料的研究热点之一。主要阐述了高导热碳材料的特点以及在雷达中的应用展望。


关键词:高导热;碳材料;雷达;散热;热管理


航空飞行器、导弹、卫星等内部电子载荷设备需要在特定的温度条件下工作才能满足使用的条件。随着微电子技术和制导技术的发展,诸如雷达等载荷内部电子设备集成程度越来越高,能量密度越来越大,研发新型高效热传导和散热材料成为了热管理领域的关键性问题,单质碳材料及其复合材料因轻质、高导热、高强度、耐高温、抗化学腐蚀等优异性能而成为一种理想的热管理材料。


碳材料的应用可分为两种形式:一种是直接的应用,即碳材料以单一的单质材料或者全碳复合材料形式应用;另一种是间接的应用,碳材料作为填料或者改性材料。本文主要对高导热碳质材料在雷达中的应用进行了展望。


1 高导热碳材料概述


高导热的碳材料按照结构形态可划分为一维、二维与三维三种碳材料结构。一维高导热碳材料以高导热碳纤维中间相沥青基碳纤维(MPCF)、气相生长碳纤维(VGCF)、碳纳米管(CNTs)、单向高导热碳/碳(C/C)复合材料为代表,其主要特征为轴向的高热导率。二维高导热碳材料以石墨薄膜、石墨烯薄膜、石墨片、二维高导热C/C复合材料等代表,其主要特征为面内方向的高热导率。三维高导热碳材料以石墨块体、三维高导热C/C复合材料、高导热泡沫碳等为代表,其主要特征为三维结构,在多个方向上有较高热导率。一般作为工程化应用的产品多以一维碳材料增强的复合材料(碳基、树脂基、金属基和陶瓷基)、二维和三维高导热材料为主。表1为常见的一些高导热碳材料与金属材料性能对比。


表1 主要高导热碳材料与金属材料性能对比


2 高导热碳材料的导热机理概述


依据现代热传导理论,包括金属与非金属材料在内的固体材料热传导均是依靠晶格原子的热振动和自由电子的流动而实现的,图1展示了金属材料与非金属材料的热传导方式。对于铜、铝等金属材料,自由电子的流动在热传导中占主导作用,而对于陶瓷等非金属材料,晶格的热振动起决定作用。量子理论认为晶格振动是量子化的,称之为“声子”。声子热导率由Makinson方程计算。


图1 金属与非金属的热传导方式对比


与其他非金属材料不同,碳材料微观结构的差异会影响声子与自由电子流动在热传导中起到的作用,造成某些碳材料的导热性能具有明显的各向异性。譬如高导热石墨片层上由于存在高活性的离域大π键,片层之间存在范德华力,因此沿着石墨片层方向(x -y 向)的热导率远大于垂直于片层方向(z向)的热导率微观尺度下,石墨微晶越大,取向度越高,晶格缺陷越少,碳材料的热导率越高,因此碳材料的热导率与石墨微晶状态高度相关。


3 应用展望


3.1 T/R组件壳体


T/R组件属于相控阵雷达中的核心部件,对雷达整机性能有决定性的影响作用。随着电子元件的发热量不断增加,一般要求T/R组件壳体有着与芯片材料相匹配的热膨胀系数(一般为3×10-6~7×10-6 K-1)。


高导热MPCF或者VGCF增强碳基复合材料(C/C复合材料)是以MPCF或者VGCF作为增强体,中间相沥青基碳作为基体制备而成,MPCF/C复合材料热导率一般为200~450 W/(m·K),VGCF/C复合材料可达到910 W/(m·K),C/C复合材料最大的使用难点在于热膨胀系数(CTE)过低,常温下的C/C复合材料甚至具有负热膨胀系数特性,因此与芯片材料的热膨胀匹配是一大难点。


由于SiC的CTE为4.7×10-6 K-1,而MPCF增韧的C/SiC复合材料CTE与 芯片材料热膨胀系数也较为接近。虽然国内的C/SiC复合材料制备技术较为成熟,但是目前主要应用在高温防护领域,对于高导热C/SiC复合材料的研究涉及较少。


MPCF可以制备高性能的铝基、铜基复合材料及镁基复合材料,这些材料的热导率为120~630 W/(m·K),CTE为0.5×10-6~8.0×10-6 K-1,也可满足T/R组件封装材料近期的性能要求,也是T/R组件壳体材料的发展方向之一


3.2 热管理


3.2.1 微波模块中的元器件散热


微波模块中因为设计上采用大功率元器件,往往会在中间出现热点(hotspots),其热通量远远高于其他区域,要求散热材料具有较高的横向热导率。一般情况下,微波模块中需要采用导热衬垫、导热硅脂等散热材料对大功率元器件进行散热,但是导热衬垫和导热硅脂存在老化失效和热导率低等缺点,而二维高导热石墨(烯)薄膜所制备的导热片则基本不产生老化问题,同时石墨薄膜x-y向的高热导率可以扩大平面散热面积,迅速消散热点,同时将热量通过平面快速传送到机壳与框架。


通过化学气相沉积方法可以获得高纯度、高性能的高导热石墨烯薄膜。上海大学通过化学气相沉积制备石墨烯薄膜并将其成功转移应用到热功率芯片上,提高了散热效率,当热通量为430 W/cm2时,单层和少数层石墨烯可以使热功率芯片上热点的温度分别降低13 ℃与8 ℃。西安交通大学将单层不连续石墨烯、单层连续石墨烯和双层连续石墨烯应用在功率芯片上散热。韩国延世大学的Bae等将化学气相沉积的石墨烯应用到柔性器件的散热,也取得了不错的效果。


3.2.2 弹载雷达


弹载雷达不同于地面、航空等平台雷达,舱内电子设备散热途径非常有限,同时不断提高的飞行速度产生了大量的外部气动热量,因此不能采用自然对流、强迫风冷或液冷等常规方式散热,只能采用储热的方式实现对雷达内部的热管理。


同时内部电子产品的局部功率密度越来越高,造成对应储热装置的热容需求也越来越高。体积、质量直接关乎导弹的战斗能力,储热装置在散热途径有限且热容量接近饱和的情况下,难以通过增加体积、质量的方式来提升储热、散热能力,因此,对提升储热装置效能的研究是重要的研究内容之一,传统的一些散热方案已经难以满足应用需求因此使用中间相沥青泡沫碳复合相变材料这种方法,以相变材料为储能介质,解决了相变材料本质上的低热导性,可以提升相变热管理系统储热和散热效率。


美国NASA喷气动力实验室采用高导热沥青基泡沫碳作为填充物,硝酸锂作为相变材料,进行了应用于飞行器热控的热能贮存单元的改进研究,热管理系统样机如图2所示,填充材料为低密度的Pocofoam TM泡沫碳,相变材料选择Li-NO3-3H2O,并在其中添加0.3%的表面活性剂以浸润泡沫碳。结果表明,样机模块的能量贮存容量为40 kJ/kg,并具有优异的导热性能,即使是在高的功率水平下,模块依然可以保持很小的温度梯度。


图2 沥青基泡沫碳/硝酸锂热管理系统样机


3.2.3 星载雷达


中间相沥青泡沫碳材料与PCM 复合后可用于卫星天基雷达大平面相控阵天线的被动式热控制,卫星在近地轨道上运行时由于昼夜交替以及雷达电子装置的开、关过程中引起的温度变化得到很好的控制,并提供接近等温的运行环境,可以减小天线面密度的设计,显著减少了天线结构质量。


3.2.4 小型机载雷达


小型机载雷达的工作时间长,同时集成度越来越高。由于空间限制,液冷的使用往往受限,而越来越大的热流密度使风冷效率遭遇瓶颈,机载雷达也不能仅采用相变储能系统进行热管理,因此通过合理的热设计(如采用风冷+相变热管理复合形式)有望改善雷达的散热瓶颈,泡沫碳材料与高热容量相变材料组合可以发挥热能贮存和调节作用,仅在温度超过一定阈值后才发挥作用。参考美国空军Wright-Patterson基地设计的一种闭路循环冷却热管理系统,将泡沫碳/石蜡复合材料应用于机载武器载荷的热管理系统。瞬间高温热负荷首先转移到泡沫碳/石蜡复合材料,再通过换热器进一步换热。采用泡沫碳/石蜡复合体作为热管理系统的一部分发挥热能贮存作用,在最热的时候发挥作用。


3.3 机、热一体化复合材料天线


MPCF具有极好的热导率,在高低温环境下有极好的尺寸稳定性,因此通过MPCF增强的高导热树脂基复合材料金属化后可获得具有良好机、电、热性能的轻量化天线。


3.4 印制电路板


印制电路板(PCB)作为电子设备和器件的基础支撑体,在雷达设备中被广泛应用。传统的印制电路板采用的大面积覆铜的作用之一即散热,采用石墨/铜复合材料取代传统的印制板覆铜层,理论上可以使导热性能提升25%,大幅提高印制板的散热效率。同时石墨烯材料有望可以取代传统的PCB铜导体层,武汉理工大学何大平和沈杰开发了一种石墨烯PCB材料并将其应用于5G通信毫米波天线阵列如图3所示。


图3 柔性石墨烯PCB


4 结论


雷达等电子装备领域对各类高导热材料的需求较为迫切,而在高导热碳材料领域国内与国外技术差距很大,国外在高导热碳纤维、高导热泡沫碳、高导热C/C复合材料等方面已经实现了工程化应用。同时在高性能中间相沥青原材料、MPCF、高导热泡沫碳和高导热C/C材料方面,我国与美日等发达国家差距巨大。未来需培养多学科领域的交叉人才,提升对于高导热碳材料的认知水平,以实现高导热碳材料在雷达等电子装备上的工程应用。


END


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