INTERNATIONAL ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY, INC

NEW COMPOSITE MATERIAL

Компанією розроблений новий Композитний матеріал, що має високі теплопровідні властивості і має при цьому високі електропровідні властивості;

Новий композитний матеріал здатний протягом дуже коротких проміжків часу сприйняти і розсіяти значні кількості енергії;

Матеріал здатний сприйняти і передати значні кількості енергії на відстань і має при цьому максимальну механічну міцність, володіє максимальною надійністю при збереженні точних геометричних форм під впливом високих концентрацій температур, енергії та інших видів шкідливих або екстремальних впливів.

Формулювання нового композитного матеріалу, як продукту:

• Композитний матеріал, що має розвинену тривимірну (об'ємну) структуру, що складається з безлічі однакових багаторівневих сферичних оболонок, що покривають сферичні ядра; ядра з оболонками (капсули) скріплені між собою за допомогою ряду послідовних технологічних операцій і мають еквівалентну для всіх капсул структури форму контакту між собою;
• Композитний матеріал має властивості понад теплопровідності і понад електропровідності;
• Композитний матеріал має високу механічну міцність, не схильний до виникнення внутрішніх механічних і температурних напружень і як наслідок цих явищ, - виникнення внутрішніх деформацій;
• Композитний матеріал здатний піддаватися впливу високих тисків і здатний під впливом цих тисків принаймні для частини компонентів входити в режим хладно-плинності, що дозволяє калібрувати тривимірну геометричну форму структури та забезпечувати з високим ступенем повторюваності дуже точні геометричні розміри структури;

Варіанти комерційного назви продукту-як матеріалу:

• Композитний матеріал, що є одночасно провідником електричного струму і ефективним теплопровідником, що має розвинену тривимірну струмопровідну структуру, з рівномірно розподіленими в ній вузлами (мікросферами), точками максимальної теплопровідності, які не є провідниками електричного струму;

Матеріал має вигляд тривимірної решітки в вузлах якої розташовані алмазні сфери, які є найкращим з відомих теплопровідник, відділені в тривимірному просторі структури один від одного, - мідними оболонками, що є відмінним провідником і теплопровідником.

Таким чином для електричного струму (найбільш важливо для струму в імпульсному режимі) композитна структура є певним псевдо-губчастим або псевдо-пористим обсягом, так як по всьому вказаною обсягом струмопровідного матеріалу, рівномірно розподілені діелектричні сферичні простору, співмірні за розмірами з розмірами струмопровідного простору;

Цей факт сприяє досить швидкому і рівномірному розсіюванню струму з одного боку і швидкому, ефективному. рівномірному розсіювання тепла з іншого боку, завдяки явищам, які мають місце в одному і тому ж обсязі матеріалу;

• Як матеріал для оболонок передбачені самі пластичні з відомих матеріалів, наприклад - мідь або срібло, які володіють і максимальної з відомих матеріалів електропровідністю; при впливі високим тиском в замкнутому об'ємі, зазначені метали можливо довести до стану хладно-текучості;
• За умови програми високого тиску в тривимірному замкнутому об'ємі, характер і форма взаємодії між капсулами в структурі модифікуються, що дозволяє формувати вироби з необхідними технічними та технологічними кондиціями, які неможливо отримати при застосуванні звичайних технологій.

Новий матеріал може отримати свої незвичайні властивості, завдяки відповідним технологічним прийомам, які в силу своєї оригінальності, стають базовими для оригінального комплексного технологічного процесу, - об'єкта інтегративного базового винаходи та серії аплікативного винаходів, спрямованих на розвиток та вдосконалення властивостей зазначених композитних матеріалів та їх похідних.

Варіанти назви та визначення технології виробництва нового композитного матеріалу:

Метод виготовлення псевдо-губчастого або псевдо-пористого композитного матеріалу, що представляє собою безліч нано-капсул, скріплених між собою в тривимірну структуру, піддану на завершальній стадії виготовлення, - об'ємної пластичної калібрує деформації в режимі хладно-плинності для матеріалу пластичних оболонок нано-капсул.

Технології виробництва нано-порошку з алмазів і подальшого покриття його міддю або іншими пластичними металами, техніка щодо відома з точки зору принципів технології, однак на наступних етапах проекту, буде потрібно відносно модифікації.

Пропонований композитний матеріал після завершення всіх операцій по його виготовленню, набуває вигляду закінченої геометричної структури, наприклад, - призми, яку необхідно розглядати як струмопровідний об'єкт, в обсязі якого рівномірно розподілені діелектричні сфери, виготовлені з синтетичних алмазів.

Перетин такого провідника досить велика, і завдяки розвиненій об'ємної структурі, у такого провідника невисока електричний опір. Оскільки в обсязі струмопровідної структури є вкраплення з алмазних зерен (сфер), які не є провідником струму, ток огинає ці зони в тілі структури і проходить тільки в струмопровідний обсяг.

Така схема розсіювання або розподілу струму по відносно великому перетину дозволяє різко знизити втрати та прискорити проходження струму. У разі якщо є необхідність розсіяти тепло, псевдо-пориста структура являє собою вузли специфічної решітки в вузлах якої розташовані алмазні сфери, термічний опір яких в 4-5 разів нижче ніж в цілому по структурі, тому тепло спрямовується у вузли зазначеної решітки і це забезпечує дуже швидкий та інтенсивний відтік (розсіювання) тепла від джерела його виникнення.

Тобто в обох випадках створюється феномен плямистого тривимірного розподілу зон з різними питомими коефіцієнтами теплопровідності і електропровідності.

Крім цього розміри капсул в масштабі нанометрів і фінішна пластична деформація в режимі хладно-плинності, дозволяють значно зменшити зазори між капсулами, що підвищує ефективність відбору та розсіювання тепла і струмових імпульсів.

Розрахунковий і очікуваний ефект при розсіюванні тепла в 4-5 разів перевищує найкращі показники в існуючих технічних рішеннях.

Як приклад використання композитного матеріалу, можна розглянути упаковку і корпус напівпровідникового лазера (лазерного діода). Для прикладу можна розглянути лазерний діод з мультимодовому випромінюванням і вихідний оптичної потужністю в 1 ват. Для управління роботою діода необхідно для отримання вихідної потужності в 1 ват подати як мінімум 1 Ампер струму. Напруга, з урахуванням внутрішнього опору самого лазерного діода і керуючої електронної системи складе як мінімум-2 вольта. Таким чином загальна споживана потужність складе 2 вати, при реальній вихідній потужності в 1 ват. Коефіцієнт втрат потужності, - 50% - це кращий показник відомий на сьогодні.

Тобто найменш навантажений лазерний діод з мультимодовому випромінюванням (перетин променя становить, - 300 мікрон х 1-3 мікрона) потребує розсіюванні 1 вата енергії.

Стандартний корпус для такого типу діодів має позначення SOT-148 і діаметр його монтажного фланця складає 9 мм. Для того, щоб розсіяти таке величезне питома кількість тепла і потрібен композитний матеріал, здатний від гетероструктури лазерного діода, розміри якої не перевищують розмірів стандартного напівпровідникового кристала інтегральної схеми відвести тепло, що виникає від перетворення в тепло енергії потужністю в 1 ват.

Номінальна робоча температура в зоні розташування гетероструктури не може перевищувати 25-27 градусів Цельсія (плюс). Для того, щоб здійснити трансфер такої кількості тепла, гетероструктур припаюють до композитного носія, який розсіює тепло на корпус діода, який в свою чергу віддає виникло тепло в охолоджуючу (термо-електроохладітель) систему.

Чим більш ефективний матеріал, тим ефективніша робота лазерного діода., Включаючи стабільність, довговічність і вихідну потужність. Проблема є набагато більш гострою при необхідності відвести тепло від одномодового діода, так як у такого типу діодів перетин променя являє собою коло діаметром не більше 0,6 мікрона. У цьому випадку концентрація енергії ще вища і функція відводу і розсіювання тепла стає ще більш важливою.

Враховуючи той факт, що тільки для потреб всіляких відео систем, систем оптичної пам'яті, оптичних накопичувачів пам'яті до персональних комп'ютерів і тому подібним виробам необхідна система лазерних джерел світла, в різних областях спектру, кількість лазерних діодів, тільки для цих потреб складає в рік більш 100 мільйонів штук, при ціні лазерного діода потужністю в 1 ват більше $ 1000.

В основній масі сьогодні оптична потужність застосовуваних лазерних діодів становить приблизно 80 мілліватт, проте працюють в червоному діапазоні спектра та одномодових, так що застосування нового ефективного композита є виключно актуальним.

Виду того, що пропоноване технічне рішення зачіпає і може бути застосовано в цілому ряді технологічних напрямків в самих різних сферах, для захисту зазначеного технічного рішення, - так званої базової технології, компанії представляється доцільним оформити базовий заявочний матеріал на патент, який необхідно виконати в якомога більш загальній формі, застосовуючи загальні визначення.

Такий патент розроблений і опубліковано:

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, eg, synthetic diamond, which is harder than the external shell, which can be formed of, eg, 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

У міру розробки аплікацій технології та розширення сфери її застосування, компанією передбачено випуск додаткових патентних аплікацій (CIP).

Основна мета переслідувана і поставлена в базовому винаході, - підвищення рівня ефективності матеріалу в частині теплопровідності і розсіювання тепла; швидкості відводу тепла від джерел нагріву і надійності процесу відбору та утилізації тепла протягом тривалої роботи об'єкта в якому стабілізується рівень температурних пульсацій;

• Підвищення рівня ефективності матеріалу в частині електропровідності і розсіювання струму; виключення втрат струму при проходженні через структуру і надійності процесу проходження і розсіювання струму протягом тривалого періоду роботи;

Технічні рішення, які застосовуються для досягнення мети:

• Зменшення діаметру капсул до мінімуму, дозволяє технологія їх виробництва, (чим менше, тим ефективніше);
• Калібрація геометричної форми структури за рахунок пластичної деформації оболонок капсул в режимі хладно-текучості; це зменшує обсяг пустот в проміжках між капсулами, знижує електричне і термічне опір, покращує механічні характеристики структури і видаляє внутрішні напруги в тривимірній ієрархії структури.

Станом на сьогоднішній день відомі наступні композитні матеріали, використовувані для аналогічних цілей:

Мідь-вольфрам
Мідь-молібден
Алюміній карбід-кремній
Алюміній-кремній
Нітрид алюмінію
Синтетичний однокрісталліческіх алмаз
Хімічний алмаз

Алмазно-мідний композит. У цього композиту позначення - DMCH, - Diamond-Copper Composite (Diamond Metal Composite for Heat Sink). Його виробляє компанія - SUMITOMO ELECTRIC USA, INC. За інформацією цієї компанії термічний опір і термічна провідність у цього композиту всього в три рази краще ніж у ординарних композитів.

Сучасні електронно-оптичні системи вимагають набагато більш високих показників, в 4-5 разів краще, ніж у ординарних композитів. Такі результати може дати пропонований нано-композитний матеріал.

У компанії SUMITOMO ELECTRIC на вказаний композит є патент за номером № 6,270,848 від 7 серпня 2001 року. Пропоноване компанією INTERNATIONAL ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY, INC
технічне рішення по відношенню до цього патенту має такі переваги:

• В винайденому композиті є тільки два компоненти, - алмазні сфери (зерна) і мідні оболонки до них;
• В винайденому композиті є тепло-розсіюючий ефект;
• В винайденому композиті є токо-розсіюючий ефект;
• У винайденого композиту електричний опір еквівалентно електричному опору міді;
• Винайдений композит формується і калібрується з використанням ефекту хладно-плинності міді (або будь-якого іншого пластичного металу);
• Винайдений композит має високу механічну міцність, завдяки калібрування методом створення стану хладно-текучості;
• Винайдений композит має високий рівень електро-провідності, завдяки калібрування методом створення стану хладно-текучості;
• Винайдений композит має більш точні розміри, завдяки калібрування методом створення стану хладно-плинності (cold drawn of metal or cold metalicity liquid state);
• Винайдений композит має більш високий рівень тепло-провідності, завдяки дуже малим розмірам капсул (нанометр) і завдяки калібрування методом створення стану хладно-текучості;

Виходячи з наявності позитивного ефекту від використання композитного матеріалу, можна припустити варіанти напрямків розвитку і розробки наступних аплікацій для різних сфер застосування:

Ядро капсули, - кераміка; оболонка капсули, - мідь; срібло; алюміній; нікель;
- Вольфрам; - мідь; срібло; нікель; алюміній;
- Залізо; - алюміній; мідь;
- Берилій; - алюміній;
- Магній; - алюміній;
- Кремній; - мідь; срібло; золото;
- Цирконій; - алюміній;
- Алмаз; - мідь; срібло; золото;
- Ситалл; - мідь; срібло; золото;
- Твердий сплав; - мідь; алюміній; кобальт; молібден

Приклад застосування композитного матеріалу в складі, -
Берилій-алюміній;
Магній - алюміній;

З цих композитів можливе виготовлення основ жорстких магнітних дисків для накопичувачів пам'яті ЕОМ. Такі диски, завдяки своїм технічним характеристикам, мають можливість працювати при частоті обертання до більш ніж 20000 RPM.
Ці матеріали відкривають нові можливості і в, -

• Створенні гібридних дисків;
• Технологіях покриттів в мікроелектроніці;
• Створенні активуючих присадок для палива;
• Для виготовлення особливо важливих деталей

Пропонований композитний матеріал здатний принципово змінити умови експлуатації та робочі характеристики високоенергонасищенних електронних приладів; дозволяє створити нове покоління електронних приладів, в набагато меншому
ступеня залежать від теплових характеристик. Це особливо важливо для потужної імпульсної техніки, що має потужність на піку імпульсу більше, ніж номінальна потужність приладу.

Як приклад можна привести одномодовий напівпровідниковий лазер з номінальною вихідний оптичної потужністю в 300 міліватт і довжиною хвилі в 780 нанометрів, який будучи підключений до керуючого електронного модулю, що працює в радіочастотному діапазоні (100 мегагерц) на піку імпульсу тривалістю в 10 наносекунд, повторюваному кожні 10 наносекунд, показав вихідну оптичну потужність рівну 3,1 ваттт протягом 72 годин.

Гетероструктура зазначеного напівпровідникового лазера (лазерного діода) була встановлена на підкладку з пропонованого композитного матеріалу, - виконаного у вигляді псевдо-губчастої структури.

Додаткові можливості, які дає використання пропонованого матеріалу:

• Виготовлення корпусів приладів з одного і того ж матеріалу з гомогенною монотонної структурою;
• Виконання корпусів і несучих деталей електронних приладів у вигляді струмопровідної губчастої системи, здатної у разі раптових пікових пульсацій струму або раптових пікових пульсацій температури в найкоротший час розсіювати або акумулювати надлишкову частину раптово виниклої енергетичного навантаження;
• Можливість поєднувати струмоведучі та тепловедущіе функції в одному і тому ж конструктивному елементі;

До складу винаходу , створеного в компанії INTERNATIONAL ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY, INC , можно включити такi параметри :

• Структура багатошарової (багаторівневої) капсули;
• Геометрична форма багатошарової (багаторівневої) капсули, - сфера;
• Порядок чергування шарів (рівнів) у сферичній капсулі;
• Порядок і геометрія розташування сферичних капсул в тривимірній структурі вироби;
• Технологічний принцип виготовлення виробу;
• Введення в процес виготовлення - операції калібрування геометричної форми вироби, після першого етапу пресування;
• Виконання операції калібрування в тривимірній системі координат;
• Виконання операції калібрування при стані матеріалу зовнішнього шару (оболонки) капсули близького або еквівалентного станом холодної плинності металу, що становить цю оболонку;
• Видалення при калібруванні всіх незаповнених струмопровідним матеріалом порожнин з тривимірного простору вироби;
• Формування в тривимірному просторі вироби псевдо-губчастої структури, при цьому роль розділяють точок у зазначеній структурі грають менш пластичні матеріали з тих, які використані в композиті капсули;
• Використання губчастої структури вироби для розсіювання тепла і струму по всьому об'єму;
• Використання псевдо-губчастої структури вироби для абсорбції (поглинання) надлишків енергії, що виникають під час пікових моментів імпульсного режиму роботи виробу;
• Використання стану хладно-плинності для зняття внутрішніх напружень в матеріалі і розмірної калібрування в трьох координатах одночасно;
• Поєднання матеріалів в ієрархії оболонок сферичної форми капсули таким чином, що кожен наступний шар виконаний з менш твердого і більше пластичного матеріалу;
• Поєднання матеріалів в ієрархії ядра та оболонок сферичної форми капсули таким чином, що ядро виконується завжди з найбільш твердого матеріалу з усіх матеріалів застосованих при створенні капсули;
• Застосування в якості основного принципу калібрування, - збереження без деформацій твердого ядра сфери і максимальний рівень пластичної деформації пластичних матеріалів периферійних шарів сфери капсули;
• Застосування для калібрування високої питомої тиску в замкнутому тривимірному просторі;
• Застосування принципу рівномірного розподілу тиску по всіх координатах (осях) замкнутого тривимірного простору;
• Підбір товщин пластично деформівних шарів таким чином, що мінімальна товщина шару більше або дорівнює діаметру ядра капсули;

ПЕРЕВАГИ ВИНАХОДИ В КОМПАНІЇ INTERNATIONAL ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY, INC
Композитний матеріал:

• Теплопроводящая і електропровідна, псевдо губчаста композитна тривимірна структура, з якої складається винайдений композитний матеріал, забезпечує:
• Максимальне розсіювання тепла;
• Максимальне поглинання струму;
• Низький електричний опір;
• Низька термічне опір;
• Низький рівень втрат струму при проходженні його через тривимірну структуру;
• Максимальну швидкість проходження імпульсних сигналів, при мінімальних втратах енергії;
• Максимальний рівень абсорбції енергетичних імпульсів, що виникають з високою частотою і мають невелику тривалість, яку можна порівняти з частотою імпульсів, причому на піку імпульсу енергетична насиченість має максимальне значення як мінімум в два рази перевищує номінальну.

До числа непрямих переваг винайденого в компанії INTERNATIONAL ENVIRONMENTAL TECHNOLOGY, INC
композитного матеріалу слід віднести наступне:

• Матеріали і нано сфери для використання в якості ядра капсули випускаються серійно на базі декількох тотожних технологічних процесів;
• Технологічні процеси для нанесення або побудови наступних після ядра шарів (оболонок) відомі і випробувані;
• Технологічні процеси об'ємної калібрування використовуються в техніці холодного видавлювання, при виробництві пресформ, матриць і т.п;

Метод виробництва композитного матеріалу має додаткові переваги, що випливають з особливостей винайденого матеріалу:

В результаті надання остаточної геометричної форми можна отримати виключно високу якість поверхні структури, без додаткової механічної обробки і при необхідності провести на цій поверхні покриття струмопровідної плівкою зі штучного алмаза на яку і кріпити або паяти електронний компонент. Ця можливість є новою;

Таким чином структурно пропоноване винахід можна представити у вигляді інтегративної ієрархії, що складається з взаємозв'язаних відмінних фізичних, конструктивних і технологічних ознак, на підставі яких формуються кінцеві властивості предмета винаходу, - композитного матеріалу.

Винайдений Матеріал має теплопровідними і електропровідними властивостями одночасно; Матеріал має буферної здатністю розсіювати в своєму обсязі теплові імпульси та пов'язані з ними пульсації електричного струму;

Мета, поставлена в зазначеному винахід, визначається властивостями винайденого матеріалу і дозволяє досягти при його застосуванні:

• Підвищення потужності електронних приладів в яких передбачається використовувати запропоновані матеріали;
• Зменшення габаритів електронних приладів в яких передбачається використовувати запропоновані матеріали;
• Підвищення рівня надійності електронних приладів в яких передбачається використовувати запропоновані матеріали;
• Подовження терміну життя електронних приладів в яких передбачається використовувати запропоновані матеріали;
• Підвищення загальної ефективності електронних приладів в яких передбачається використовувати запропоновані матеріали.