Способ тепловой защиты электронных модулей
METHOD OF ELECTRONIC MODULES THERMAL PROTECTION

Изобретение относится к средствам защиты микроэлектронного оборудования от внешних разрушающих факторов, таких как длительные высокотемпературные воздействия, и может быть использовано при создании защищенных бортовых накопителей полетной информации для самолетов и вертолетов, а также защищенных накопителей информации для других транспортных средств: тепловозов, судов, автомобилей.
Известно устройство, основанное на создании вокруг сохраняемого микроэлектронного объекта защитной слоистой оболочки, предохраняющей его от воздействия внешних тепловых и механических разрушающих факторов (см. патент РФ №2162189, F16L 59/02, G12B 17/06, B64C 1/38, B64G 1/58, 2001 г.).
В этом устройстве защитная оболочка сохраняемого объекта сформирована из нескольких последовательно расположенных слоев: наружного ударожаропрочного слоя, изготовленного из жаростойких металлов, промежуточного теплозащитного слоя, выполненного из огнеупорного сухого пористо-волокнистого материала, и внутреннего теплозащитного слоя, сформированного из пористого водосодержащего материала, заключенного между теплоотражающими прокладками, изготовленными из металлизированной полимерной пленки.
Наружный слой защитной оболочки обеспечивает защиту сохраняемого объекта от внешних разрушающих механических и огневых воздействий за счет ударожаропрочности материала слоя. Промежуточный теплозащитный слой обеспечивает пассивную теплозащиту сохраняемого объекта за счет низкой теплопроводности сухого пористо-волокнистого материала слоя. Внутренний теплозащитный слой обеспечивает активную теплозащиту сохраняемого объекта за счет поглощения теплоты при кипении воды, находящейся в порах водосодержащего материала. Активная теплозащита позволяет поддерживать температуру защищаемого объема не выше точки кипения воды 100°C в течение всего времени выкипания. Теплоотражающие прокладки способствуют дополнительному понижению температуры защищаемого объема за счет частичного отражения внешнего теплового потока теплоотражающими поверхностями прокладок.
Известное устройство эффективно решает задачу защиты сохраняемого объекта от разрушающих механических факторов и высокотемпературных воздействий, обеспечивая защиту микроэлектронного оборудования при внешнем всестороннем огневом воздействии с температурой до 1100°C в течение 30 минут, ударных перегрузках до 3400 g и статических давлениях до 600 атм.
Недостатком является отсутствие стойкости к длительному, до 10 часов, всестороннему воздействию повышенной температуры 260°C
Известно техническое решение «Способ тепловой защиты электронных модулей и устройство для его реализации» (патент РФ №2420046, МПК, опубл. 27.05.2011).
Технический результат достигается за счет того, что в качестве теплозащитной смеси используют композиционную смесь борной кислоты или ее солей и неорганической добавки минерального происхождения в весовом соотношении от 70:30 до 85:15, причем неорганическая добавка минерального происхождения имеет температуру деградации выше 1100°C.
Недостатком является низкое удельное теплопоглощение, заключающееся в том, что композиционная смесь массой 880 г поглощает 960 Дж/г тепловой энергии.
Технической задачей изобретения является создание способа эффективного теплопоглощения тепла от электронного модуля путем повышения удельной теплопоглощающей способности тепловой защиты.
Техническим результатом является повышение удельной теплопоглощающей способности тепловой защиты, состоящее в том, что 150 г композиционной смеси поглощает 2100 Дж/г тепловой энергии.
Технический результат достигается тем, что поглощение тепла осуществляют с помощью состава и структуры теплозащиты, состоящей из 2-х видов композиционной смеси: первый вид - высокопористый материал (85-90% открытых пор) порошково-волокнистой структуры на основе аморфного кремнезема, в виде мелкодисперсных частиц размерами от 50 нм до 10 мкм и нановолокон с диаметрами 10-20 нм, затем вышеуказанную смесь запрессовывают в заранее изготовленную оснастку, регулируя при этом плотность композиционной смеси, второй вид композиционной смеси получают путем перемешивания мелкодисперсного полимерного материала и минерального наполнителя, в качестве которых используют полиоксимитилен и алюмокремнеземные волокна, причем теплозащиту формируют из 2-х видов композиционных материалов, в качестве внешнего слоя по отношению к защищаемому модулю располагают первый вид композиционной смеси, являющийся барьером для потока тепла, а внутренним теплопоглощающим слоем является второй вид композиционной смеси, внутри которой располагается защищаемый объект, причем 2 вида прессованных композиционных смесей находятся в непосредственном контакте, практически без воздушной прослойки между ними.
2
В основе разработанного способа тепловой защиты лежит принцип активного взаимодействия воздействующего на защищаемый объект теплового потока плотностью до 200 кВт/м и химического вещества - полиоксиметилена, осуществляющего химическую реакцию деполимеризации с поглощением тепловой энергии, и при этом разрушается.
Поэтому тепловая защита имеет определенные температурно-временные характеристики, и ее массово-габаритные характеристики разрабатываются для каждого конкретного применения.
Важно заметить, что предварительно тепловой поток проходит через слой теплоизоляционного материала, где значительно снижается его плотность, затем «дозированный» тепловой поток необратимо поглощается химическим веществом по эндотермическому типу.
Теплоизоляционный материал имеет микропористую твердодисперсную структуру, обладает наименьшей массовой скоростью разрушения и максимальной энергией поглощения - более 2000 Дж/г. Теплопередача в материале осуществляется за счет кинетической энергии между атомами и молекулами (воздух в порах, твердые аморфные наночастицы оксида кремния, дискретные волокна оксида кремния). Основной компонент изоляции - аморфные частицы оксида кремния размером 10-25 нм, полученные по золь-гель технологии (Михайлин Ю.А. «Волокнистые полимерные композиционные материалы в технике», издательство НОТ, Санкт-Петербург, 2013, стр. 307).
Свойства структуры твердых аморфных наночастиц оксида кремния обеспечили низкую теплопроводность. Теплопередача через воздух также была уменьшена, удалось затормозить столкновения молекул воздуха друг с другом, они были запущены как бы в «лабиринт» из волокон и твердых неорганических частиц различного размера.
Была разработана самая тонкая и самая легкая теплоизоляция с коэффициентом теплопроводности 0,009 Вт/мК.