CN110066946A

CN110066946A - 一种高压电源80-120度下用铝基自冷却材料及工艺

Info

Publication number: CN110066946A
Application number: CN201910383275.0A
Authority: CN
Inventors: 刘亚军
Original assignee: Hangzhou Chenzuo Technology Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Chenzuo Technology Co Ltd
Priority date: 2019-05-09
Filing date: 2019-05-09
Publication date: 2019-07-30

Abstract

本发明公开了一种高压电源80‑120度下用铝基自冷却材料及工艺。按重量百分比计,该合金组成为:Ge:0.5‑0.8wt.%,Ag:0.4‑1.2wt.%,Bi:4.0‑5.0wt.%,Sb:8.0‑10.0wt.%,P:0.1‑0.3wt.%,In:10.0‑15.0wt.%,Sn:20.0‑25.0wt.%,余量为Al。本专利提供了一种在高压电源中短时间内产生大热流情况下的一种新型的散热解决方案，可以解决电子工业领域内所需要的高端散热解决方案。可以预计，在产业化后会获得极大的经济价值，同时也会促进相关领域的技术发展。

Description

一种高压电源80-120度下用铝基自冷却材料及工艺

技术领域

本发明涉及合金技术领域，具体地说，涉及一种铝铟合金。

背景技术

当输出电压在五千伏特以上的电源成为高压电源，并且这类电源一般都是直流电源。一般高压电源的输出电压可达几万伏，甚至高达几十万伏特或更高。高压电源用途很多，主要包括了X光机高压电源，激光高压电源，光谱分析高压电源，无损探伤高压电源。

高压电源一般长年处于苛刻的工作环境下，例如高温，高湿，高盐雾的腐蚀性环境。不仅导致了电路板的腐蚀破坏，也是的维护和误工成为设计的重要考虑因素。为了尽可能的降低这些不利因素，仅仅依靠对材料进行涂层保护是远远不够的。一般都要进行电源灌封胶，也就是将不导电的有机物在电源的构件周围进行灌封来形成保护。这些有机物在灌封后以固态的形式出现在元器件的周围，可以起到加固和密封的效果，能够极大的提高电子产品在恶劣环境下工作的可靠性，保护性和抗震性。此外，还可以提高相关器件对湿气，凝露，盐雾对电路的腐蚀，有效的提高高压电源的工作寿命。

对于这类灌封的高压电源而言，高效率工作的核心便是解决好散热问题。如果在散热的过程中出现了散热不良，造成了局部的高温，非常容易造成保护层的软化，绝缘防护性能的降低，以及元器件的加速老化。最为致命的是在某些场合下会造成元器件产生错误的信号，导致设备做出错误的动作。因而对于有机硅灌封胶在高压电源组件的灌封非常注重散热的高效率设计。

自冷却材料是为了提高主动散热效率而设计的一种新型的合金材料。该材料由两部分组成：非相变部分和相变部分。其中非相变部分在整个散热过程中除了进行导热外不发生变化，而相变部分由于进行了相变而变成液态金属。这些液化的合金部分在非相变合金构成的骨架中进行高效散热（包括液态合金的高导热性能以及由于温度不均匀而产生的自然对流作用），从而可以在主动散热的工作机制下进行高效的散热。

非常令人感到遗憾的是，目前在国际范围内，对高压电源领域用的自冷却合金材料还非常稀缺。目前现有的散热用合金材料已经不能满足封装后的电源散热需求。因而，开发一种以自冷却机制进行散热的合金材料是高压电源领域亟待解决的关键问题。本专利从材料学角度出发，提供了一种用于高压电源散热用的自冷却合金材料及加工工艺。在合适的散热设计和工作条件下，该材料可以克服目前存在的散热问题，并大大增加了高压电源在运行过程中的安全性。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种高压电源80-120度下用铝基自冷却材料及工艺。该材料由于发生了调幅分解而分为两相：在散热温度范围内不发生相变的高熔点相和在工作温度范围内会熔化的低熔点相。该材料在工作温度下当有大热流产生时可以发生部分熔化，从而可以迅速吸收热量的产生（自冷却的机理）。同时，该材料形成的液相可以在不熔化的骨架中由于浓度差而产生自然对流，这种流体的运动会进一步增加散热效率。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种高压电源80-120度下用铝基自冷却材料及工艺。按重量百分比计,该合金组成为：Ge:0.5-0.8wt.%,Ag:0.4-1.2wt.%,Bi:4.0-5.0wt.%,Sb:8.0-10.0wt.%,P:0.1-0.3wt.%,In:10.0-15.0wt.%,Sn:20.0-25.0wt.%,余量为Al。

上述一种高压电源80-120度下用铝基自冷却材料的制备和使用方法，包括如下的步骤：（a）配料：按照如上的成分进行原料称量；（b）冶炼：采用氩气保护的非真空感应熔炼炉进行熔炼，其中坩埚采用石墨坩埚；在700-750度保温10分钟并利用电磁搅拌将合金熔体充分搅拌，然后进行铁模具进行铸造，并采用水冷进行快速冷却（c）室温挤压：进行室温挤压成型，采用的挤压应力为70-180Mpa；（d）去应力退火：氩气保护的真空炉内在100-120度保温1.0-1.5小时。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

（1）研制高压电源用自冷却合金材料，必须根据最佳的工作条件来筛选合适的合金体系和成分。通过这些条件来决定材料中的非相变部分和相变部分的热力学特性（相变温度和相变焓），从而能够在工作条件下最大限度提高体系散热性能。然而，目前自冷却材料领域内对相应的材料学机理和使用过程最优化手段的认识还远远不足，在涉及到具体实际应用时仍然没有合适的材料来解决生产和设计方面的问题。本专利从实际需求出发，提出了一种高压电源用铝基自冷却材料及其加工工艺。

（2）该材料的设计原理是：具有液相调幅分解特性的合金在冷却过程中由于发生不稳定分解而生成两相，其中一相的熔点比较高（高熔点相），而另一相的熔点比较低（低熔点相）。在高压电源正常工作温度范围内，高熔点相不会发生熔化而作为非相变相在材料中作为骨架（体积含量在70-75%）。同时，低熔点相在高压电源的正常工作温度下为固相，但是在由于短路等原因产生大热流的条件下可以迅速的熔化而产生液态金属。这些低熔点的液态金属除了在熔化的时候大量吸收热量外（相变所需要的熔化焓），还可以在高熔点相的骨架内进行高效的导热。高效导热除了液相金属可以和固相骨架进行无空隙接触传热外，还可以形成由于温度梯度导致密度不同而产生的自然对流带来的进一步散热。这些机制综合起来，使得整个材料的传热系数有了很大的提高。

（3）本专利申请保护的合金材料，液相的熔点范围为490-540度。在发生调幅分解后生成的两相中，高熔点相的熔点范围为420-460度，而低熔点相的熔点范围为90-120度。此外，在凝固后的组织中高熔点相所占的体积百分比在70-75%。这些高熔点的固相在低熔点相熔化后可以作为骨架充分的将液态金属包裹住，防止了侧漏的发生。同时，由于进行了材料学的优化，低熔点相具有非常大的熔化热（70-80kJ/kg）。在高压电源由于短路等原因短时间内产生大量热流的情况下，可以通过发生吸热的相变而进一步降低局部的温度。

（4）该材料具有非常优异的传热性能，其中传热系数可以达到150-180W/(m·K)。而普通铸造用的铝合金的传热系数一般保持在100W/(m·K)左右。当由于短时间内大热流出现后，在低熔点相熔化的情况下，其中的高熔点相也会由于优异的传热性能而配合熔化的低熔点相将热量很快的传递出体系，在最大程度上保证了高压电源的工作安全性。

（5）该材料具有非常优异的铸造性能和加工性能。在铸造的过程中，由于熔体铸造时的温度为700-750度，而该液相的熔点温度为490-540度。因而在铸造的过程中不会发生局部的快速冷却而使得两个液相分离。这在微观上保证了最终的合金内部高熔点相和低熔点相的均匀分部。此外，通过热加工过程的挤压，该材料可以在挤压方向上形成条形分布，从而增加了在该方向的传热性能。由于冶炼和加工过程简单，可以充分利用现有的生产设备和工具。当产业化后，由于能解决产业难题还能带来明显的经济效益和社会效益。

具体实施方式

实施例1

一种高压电源80-120度下用铝基自冷却材料及工艺。按重量百分比计,该合金组成为:Ge:0.5wt.%,Ag:0.4wt.%, Bi:4.0wt.%,Sb:8.0wt.%,P:0.1wt.%,In:10.0wt.%,Sn:20.0wt.%,余量为Al。

上述一种高压电源80-120度下用铝基自冷却材料的制备和使用方法，包括如下的步骤：（a）配料：按照如上的成分进行原料称量；（b）冶炼：采用氩气保护的非真空感应熔炼炉进行熔炼，其中坩埚采用石墨坩埚；在720度保温10分钟并利用电磁搅拌将合金熔体充分搅拌，然后进行铁模具进行铸造，并采用水冷进行快速冷却（c）室温挤压：进行室温挤压成型，采用的挤压应力为100MPa；（d）去应力退火：氩气保护的真空炉内在100度保温1.2小时。

该合金材料的熔点为500度。在发生调幅分解后生成的两相中，高熔点相的熔点为450度，而低熔点相的熔点为100度。在凝固后的组织中高熔点相所占的体积百分比在72%。这些高熔点的固相在低熔点相熔化后可以作为骨架充分的将液态金属包裹住，防止了侧漏的发生。同时，由于进行了材料学的优化，低熔点相具有非常大的熔化热（75kJ/kg）。该材料具有非常优异的传热性能，其中传热系数可以达到160W/(m·K)。而普通铸造用的铝合金的传热系数一般保持在100W/(m·K)左右。在高压电源由于短路等原因短时间内产生大量热流的情况下，可以通过发生高效吸热和导热而进一步降低局部的温度。

实施例2

一种高压电源80-120度下用铝基自冷却材料及工艺。按重量百分比计,该合金组成为:Ge:0.8wt.%,Ag:1.2wt.%, Bi:5.0wt.%,Sb:10.0wt.%,P:0.3wt.%,In:15.0wt.%,Sn:25.0wt.%,余量为Al。

上述一种高压电源80-120度下用铝基自冷却材料的制备和使用方法，包括如下的步骤：（a）配料：按照如上的成分进行原料称量；（b）冶炼：采用氩气保护的非真空感应熔炼炉进行熔炼，其中坩埚采用石墨坩埚；在740度保温10分钟并利用电磁搅拌将合金熔体充分搅拌，然后进行铁模具进行铸造，并采用水冷进行快速冷却（c）室温挤压：进行室温挤压成型，采用的挤压应力为120MPa；（d）去应力退火：氩气保护的真空炉内在100度保温1.0小时。

该合金材料的熔点为520度。在发生条幅分解后生成的两相中，高熔点相的熔点为430度，而低熔点相的熔点为110度。在凝固后的组织中高熔点相所占的体积百分比在74%。这些高熔点的固相在低熔点相熔化后可以作为骨架充分的将液态金属包裹住，防止了侧漏的发生。同时，由于进行了材料学的优化，低熔点相具有非常大的熔化热（78kJ/kg）。该材料具有非常优异的传热性能，其中传热系数可以达到165W/(m·K)。而普通铸造用的铝合金的传热系数一般保持在100W/(m·K)左右。在高压电源由于短路等原因短时间内产生大量热流的情况下，可以通过发生高效吸热和导热而进一步降低局部的温度。

实施例3

一种高压电源80-120度下用铝基自冷却材料及工艺。按重量百分比计,该合金组成为:Ge:0.6wt.%,Ag:0.8wt.%, Bi:4.2wt.%,Sb:8.5wt.%,P:0.2wt.%,In:12.0wt.%,Sn:24.0wt.%,余量为Al。

上述一种高压电源80-120度下用铝基自冷却材料的制备和使用方法，包括如下的步骤：（a）配料：按照如上的成分进行原料称量；（b）冶炼：采用氩气保护的非真空感应熔炼炉进行熔炼，其中坩埚采用石墨坩埚；在710度保温10分钟并利用电磁搅拌将合金熔体充分搅拌，然后进行铁模具进行铸造，并采用水冷进行快速冷却（c）室温挤压：进行室温挤压成型，采用的挤压应力为140MPa；（d）去应力退火：氩气保护的真空炉内在120度保温1.2小时。

该合金材料的熔点为490度。在发生条幅分解后生成的两相中，高熔点相的熔点为450度，而低熔点相的熔点为115度。在凝固后的组织中高熔点相所占的体积百分比在72%。这些高熔点的固相在低熔点相熔化后可以作为骨架充分的将液态金属包裹住，防止了侧漏的发生。同时，由于进行了材料学的优化，低熔点相具有非常大的熔化热（70kJ/kg）。该材料具有非常优异的传热性能，其中传热系数可以达到170W/(m·K)。而普通铸造用的铝合金的传热系数一般保持在100W/(m·K)左右。在高压电源由于短路等原因短时间内产生大量热流的情况下，可以通过发生高效吸热和导热而进一步降低局部的温度。

Claims

1.一种高压电源80-120度下用铝基自冷却材料及工艺；按重量百分比计，该合金组成为：Ge:0.5-0.8wt.%,Ag:0.4-1.2wt.%,Bi:4.0-5.0wt.%,Sb:8.0-10.0wt.%,P:0.1-0.3wt.%,In:10.0-15.0wt.%,Sn:20.0-25.0wt.%,余量为Al。

2.权利要求1所述一种高压电源80-120度下用铝基自冷却材料的制备和使用方法，其特征在于包括如下的步骤：（a）配料：按照如上的成分进行原料称量；（b）冶炼：采用氩气保护的非真空感应熔炼炉进行熔炼，其中坩埚采用石墨坩埚；在700-750度保温10分钟并利用电磁搅拌将合金熔体充分搅拌，然后进行铁模具进行铸造，并采用水冷进行快速冷却（c）室温挤压：进行室温挤压成型，采用的挤压应力为70-180MPa；（d）去应力退火：氩气保护的真空炉内在100-120度保温1.0-1.5小时。