ومع التكرار السريع لقوة حوسبة الذكاء الاصطناعي وتحديات تبديد الحرارة المتصاعدة في-الرقائق المتطورة، يظهر الماس ذو الموصلية الحرارية العالية جدًا-كمادة واعدة لأشباه الموصلات. تنبع الموصلية الحرارية الاستثنائية للألماس من بنيته الدقيقة الفريدة، والتي تعتمد بشكل أساسي على الاهتزازات الشبكية لنقل الحرارة. تعمل روابط C-C القوية للغاية بين ذرات الكربون، جنبًا إلى جنب مع الكتلة الذرية الصغيرة للكربون، على تقييد الذرات بالاهتزازات بالقرب من الحد الأدنى للطاقة المحتملة-، مما يمنح الماس موصلية حرارية عالية بشكل غير عادي. وفي الوقت نفسه، تشارك جميع إلكترونات التكافؤ الموجودة في الماس في عملية الترابط ولا يمكنها التحرك بحرية، مما يمنحها عزلًا كهربائيًا ممتازًا. تعمل هذه الخاصية المزدوجة المتمثلة في "الموصلية الحرارية العالية + العزل" على توسيع نطاق تطبيقها.
يمكن دمج مساحيق الماس ذات مقياس ميكرون- أو نانومتر-، التي تتميز بتوزيع مركز لحجم الجسيمات، وشكل محدد جيدًا-، ونقاء عالي، وعدد قليل من العيوب الداخلية، وموصلية حرارية عالية للغاية، في مواد مصفوفة معدنية- لاستخدامها كمشتتات حرارية، وركائز لنشر الحرارة-، وما إلى ذلك. كما أنها تعمل أيضًا كحشوات وظيفية في مواد الواجهة الحرارية (TIMs) مثل الشحوم الحرارية والمواد اللاصقة الحرارية، منصات حرارية.
إعداد الماس الدقيق
حاليًا، الطريقة الصناعية الأساسية لإنتاج مساحيق الماس الدقيقة هي -درجة الحرارة المرتفعة-الضغط الثابت (HPHT)-طريق التكسير: يتم استخدام جزيئات الماس البلورية الخشنة-الحبيبات المفردة- المصنعة عبر HPHT كمواد خام، والتي تخضع بعد ذلك لعمليات التكسير والتنقية والتصنيف.
(1) توليف الماس- تعمل طريقة HPHT عادة عند درجات حرارة عالية (1300-1700 درجة) وضغوط عالية (5-7 جيجا باسكال)، باستخدام مسحوق الجرافيت ومساحيق المحفزات المعدنية كمواد خام رئيسية. تحت تأثير المحفز، يتحول مصدر الكربون (الجرافيت) إلى الماس.
(2) سحق وتشكيل– تؤثر عمليات التكسير والتشكيل بشكل مباشر على شكل الجسيمات وإنتاجية أحجام الجسيمات المستهدفة. بشكل عام، يتم تقليل المواد الأولية الخشنة إلى أحجام ميكرون أو دون ميكرون من خلال طريقتين أساسيتين: التأثير الميكانيكي والطحن النفاث.
(3) تصنيف- يعد تصنيف حجم الجسيمات خطوة حاسمة في إنتاج مسحوق الماس الدقيق، مما يؤثر على كفاءة الإنتاج وجودة المنتج. تجمع العديد من الشركات المصنعة حاليًا بين الترسيب الطبيعي والطرد المركزي لإنتاج-نطاق كامل من المساحيق الدقيقة بدءًا من الدرجات الناعمة إلى الخشنة.
التطبيق الحراري 1: الحشو الأمثل الموصل للحرارة
يتم تشتيت الحشوات الماسية في مصفوفات بوليمر (على سبيل المثال، السيليكون، وراتنجات الإيبوكسي) لتكوين مركبات، والتي تملأ الفجوات المجهرية بين مكونات توليد الحرارة- والمشتتات الحرارية، وتقلل من المقاومة الحرارية للتلامس، وتنشئ شبكات توصيل مستمر للحرارة لتبديد الحرارة المتراكمة بسرعة. باعتباره المادة الخام الأساسية في TIMs مثل الشحوم الحرارية والوسادات والمغلفات، يحدد مسحوق الماس بشكل مباشر كفاءة واستقرار نظام الإدارة الحرارية.
التطبيق الحراري 2:-مركبات الماس/المعدن عالية الأداء
ومن خلال الاستفادة من الموصلية الحرارية العالية للماس، ومعامل التمدد الحراري المنخفض، والكثافة المنخفضة، يعمل الباحثون بنشاط على تطوير مركبات مصفوفة معدنية معززة بجزيئات الماس لتطبيقات الموصلية الحرارية العالية. إن الخصائص الفيزيائية الحرارية المتميزة لمركبات الماس / المعدن تجعلها واعدة للغاية في مجال التغليف الإلكتروني. تركز الأبحاث الحالية في المقام الأول على طرق التصنيع مثل تعدين المساحيق وتسلل السوائل. تحقق مركبات الألماس/الألومنيوم المعالجة تقليديًا موصليات حرارية تتراوح بين 250-600 واط/(م·ك)، بينما يمكن أن تصل مركبات الألماس/النحاس إلى 420-900 واط/(م·ك).
مسحوق الماس هو المادة الخام الرئيسية التي تحدد الحد الأعلى للتوصيل الحراري المركب؛ تؤثر جودتها وحجم جسيماتها وتشكلها البلوري بشكل مباشر على أداء المنتج النهائي. وبالمثل، فإن التوافق السطحي الضعيف بين مصفوفات الماس والمعدن-مما يؤدي إلى تشتت الفونون الشديد في الواجهات-يحد من التوصيل الحراري المركب. يمكن التخفيف من ذلك عن طريق تحسين عمليات التصنيع، أو تعديل خشونة السطح والحالات الكيميائية لجزيئات الماس لتعزيز الترابط بين الوجهين، أو إدخال طبقات انتقالية بينية عبر صناعة السبائك أو المعدنة السطحية لجزيئات الماس.
بفضل الأساس الصناعي المتين والفرص الهائلة في السوق، تعمل العديد من المؤسسات المحلية على تسريع البحث والتطوير وتصنيع مواد الإدارة الحرارية المركبة المعتمدة على الماس.