Изобретён и разработан новый Композитный материал , имеющий высокие теплопроводные свойства и имеющий при этом высокие электропроводные свойства;

Новый композитный материал способный в течении очень коротких промежутков времени воспринять и рассеять значительные количества энергии;

Материал способен воспринять и передать значительные количества энергии на расстояние и имеет при этом максимальную механическую прочность , обладает максимальной надёжностью при сохранении точных геометрических форм под воздействием высоких концентраций температур, энергии и других видов вредных или экстремальных воздействий.

Формулировка нового композитного материала, как продукта :

• композитный материал, имеющий развитую трёхмерную ( объёмную ) структуру, состоящую из множества одинаковых многоуровневых сферических оболочек, покрывающих сферические ядра; 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;

Варианты коммерческого названия продукта-как материала :

• композитный материал, являющийся одновременно проводником электрического тока и эффективным теплопроводником, 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, у которого коэффициент теплопередачи равен 1200, и который не является проводником электрического тока );

Материал имеет вид трёхмерной решётки в узлах которой расположены алмазные сферы, которые являются лучшим из известных теплопроводников, отделённые в трёхмерном пространстве структуры друг от друга ,- медными оболочками , являющимися отличным проводником и теплопроводником.

Таким образом для электрического тока( наиболее важно для тока в импульсном режиме ) композитная структура является неким псевдо-губчатым или 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, благодаря 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 в силу своей оригинальности , становятся базовыми для оригинального комплексного технологического процесса,- объекта интегративного базового изобретения и серии аппликативных изобретений, направленных на развитие и усовершенствование свойств указанных композитных материалов и их производных.

Варианты названия и определения технологии производства нового композитного материала :

Метод изготовления псевдо- губчатого или псевдо-пористого композитного материала, представляющего собой множество нано-капсул, скреплённых между собой в трехмерную структуру, подвёргнутую 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 , потребующая относительной модификации.

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 токопроводящей структуры имеются вкрапления из алмазных зёрен ( сфер ), которые не являются проводником тока, ток огибает эти зоны в теле структуры и проходит только в токопроводящий объём.

Такая схема рассеивания или распределения тока по относительно большому сечению позволяет резко снизить потери и ускорить прохождение тока . В случае если имеется необходимость рассеять тепло , псевдо-пористая структура представляет собой узлы специфической решётки в узлах которой 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 и интенсивный отток ( рассеивание ) тепла от источника его возникновения.

То есть в обоих случаях создаётся феномен пятнистого трёхмерного распределения зон с различными удельными коэффициентами теплопроводности и электропроводности.

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.

В качестве примера использования композитного материала, можно рассмотреть упаковку и корпус полупроводникового лазера ( лазерного диода ) . Для примера можно рассмотреть лазерный диод с мультимодовым 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 мультимодовым излучением ( сечение луча составляет ,- 300 микрон х 1-3 микрона ) нуждается в рассеивании 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 25-27 градусов Цельсия ( плюс ). Для того , что бы 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 ( термо-электроохладитель ) 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 одномодового 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, при цене лазерного диода мощностью в 1 ватт более $1000.

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

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, компании представляется целесообразным оформить базовый заявочный материал на патент, который необходимо выполнить в как можно более общей форме, применяя общие определения.

Такой патент мной и моим соавтором разработан и опубликован :
United States Patent Application 20120040166
Kind Code A1
Livschits; Gabreal ; et al. February 16, 2012
________________________________________

Composite Material, Method of Manufacturing and Device for Moldable Calibration

Abstract

Composite materials and methods and systems for their manufacture are provided. According to one aspect, a composite material includes a collection of molded together multilayer capsules, each capsule originally formed of a core and shell. The shell, after a plastic deformation process, forms a pseudo-porous structure, with pores locations containing the capsule cores. The cores are made of a material, e.g., synthetic diamond, which is harder than the external shell, which can be formed of, e.g., a ductile metal such as copper. The composite material has high thermal and/or electrical conductivity and/or dissipation.

________________________________________
Inventors: Livschits; Gabreal; (San Francisco, CA) ; Flider; Gennadiy; (San Francisco, CA)
Serial No.: 108597
Series Code: 13
Filed: May 16, 2011
По мере разработки аппликаций технологии и расширения области её применения, компанией 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, тем эффективнее );
• калибрация 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 в трёхмерной иерархии структуры.

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 однокристаллический 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.

Совремённые 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 компанией INTERNATIONAL ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY , INC

техническое решение , по отношению к этому патенту имеет следующие преимущества :

• в изобретённом композите есть только два компонента,- алмазные сферы( зёрна) и медные оболочки к ним;
• в изобретённом композите имеется тепло-рассеивающий эффект ;
• в изобретённом композите имеется токо-рассеивающий эффект ;
• у изобретённого композита электрическое сопротивление эквивалентно электрическому сопротивлению меди;
• изобретённый композит формируется и калибруется с использованием эффекта хладно-текучести меди( или любого другого пластичного металла ) ;
• изобретённый композит имеет высокую механическую прочность, благодаря калибровке методом создания состояния хладно-текучести ;
• изобретённый композит имеет высокий уровень электро-проводимости , благодаря калибровке методом создания состояния хладно-текучести ;
• изобретённый композит имеет более точные размеры, благодаря калибровке методом создания состояния хладно-текучести ( cold drawn of metal or cold metalicity liquid state ) ;
• изобретённый композит имеет более высокий уровень тепло-проводимости , благодаря очень малым размерам капсул ( нанометры ) и благодаря калибровке методом создания состояния хладно-текучести;

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

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 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 открывают новые возможности и в ,-

• создании гибридных дисков ;
• технологиях покрытий в микроэлектронике ;
• создании активирующих присадок для топлива ;
• для изготовления особо важных деталей

Предлагаемый композитный материал способен принципиально изменить условия эксплуатации и рабочие характеристики высокоэнергонасыщенных электронных приборов; позволяет создать новое поколение электронных приборов, в гораздо меньшей

степени зависящих от тепловых характеристик. 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 ваттт в течении 72 часов.

Гетероструктура указанного полупроводникового лазера( лазерного диода ) была установлена на подложку из предлагаемого композитного материала,- выполненного в виде псевдо-губчатой структуры.

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 губчатой 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;

В состав изобретения созданного в компании INTERNATIONAL ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY , INC

входят, связанные между собой следующие частные технические решения:

• структура многослойной ( многоуровневой ) капсулы ;
• геометрическая форма многослойной ( многоуровневой ) капсулы,- сфера ;
• 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 холодной текучести металла, составляющего эту оболочку ;
• 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 губчатой структуры изделия для рассеивания тепла и тока по всему объёму ;
• использование псевдо-губчатой 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;

ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЁННОГО В КОМПАНИИ INTERNATIONAL ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY , INC

КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА :

• теплопроводящая и электропроводящая , псевдо губчатая композитная трёхмерная структура, из которой состоит изобретённый композитный материал, обеспечивает:
• максимальное рассеивание тепла ;
• максимальное поглощение тока ;
• низкое электрическое сопротивление ;
• низкое термическое сопротивление ;
• низкий уровень потерь тока при прохождении его через трёхмерную 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 изобретённого в компании INTERNATIONAL ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY , INC

композитного материала следует отнести следующее :

• материалы и нано сферы для использования в качестве ядра капсулы выпускаются серийно на базе нескольких тождественных технологических процессов;
• 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;

Метод производства композитного материала имеет дополнительные преимущества, вытекающие из особенностей изобретённого материала:

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 и крепить или паять электронный компонент. Эта возможность является новой;

Таким образом структурно предлагаемое изобретение можно представить в виде интегративной иерархии , состоящей из взаимосвязанных отличительных физических, конструктивных и технологических признаков, на основании которых формируются конечные свойства предмета изобретения ,- композитного материала.

Изобретённый Материал обладает теплопроводящими и электропроводящими свойствами одновременно; Материал обладает буферной способностью рассеивать в своём объёме тепловые импульсы и связанные с ними пульсации электрического тока;

Цель, поставленная в указанном изобретении , определяется свойствами изобретённого материала и позволяет достичь при его применении :

• 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.