Каковы типы теплопроводящих наполнителей и их применение?

Теплопроводность резины

Резина является плохим проводником тепла, но для того, чтобы соответствовать требованиям практического применения, она должна обладать определенной теплопроводностью. Резиновые изделия с теплопроводностью широко используются, и улучшение теплопроводности оказывает большое влияние на эксплуатационные характеристики резиновых изделий. Например, при повышении температуры резинового материала, используемого для изоляции и теплопроводности электронных компонентов, на 2 ℃, его надежность может снизиться на 10%. Поэтому резиновые композиты с высокой теплопроводностью могут эффективно передавать тепло, что имеет большое значение для уплотнения, миниатюризации и повышения надежности электронных изделий.

Кроме того, резиновый материал, используемый в шинах, должен обладать такими характеристиками, как низкое теплообразование и высокая теплопроводность. С одной стороны, это может улучшить теплопроводность резины, повысить эффективность вулканизации и снизить энергопотребление; с другой стороны, высокая теплопроводность может помочь своевременно отводить тепло, выделяемое шиной в процессе высокоскоростного движения, снизить температуру корпуса шины, чтобы уменьшить ухудшение характеристик, вызванное повышенной температурой.

Когда автомобиль движется на высокой скорости, тепло трения и тепло деформации значительно возрастают по мере увеличения скорости вращения колеса. Если тепло не будет отводиться достаточно быстро, это приведет к повышению температуры шины и, соответственно, давления воздуха внутри нее, что может ускорить старение резины и привести к взрыву шины, что приведет к аварии.

Механизм действия термической резины

Термическая резина подразделяется на внутреннюю термическую резину и наполненную термическую резину. Процесс синтеза каучука с внутренней теплопроводностью сложный и дорогостоящий, в то время как цена наполненного каучука с теплопроводностью невысока и проста в обработке. Поэтому теплопроводный каучук обычно получают путем наполнения наполнителем с высокой теплопроводностью. Теплопроводность наполненной теплопроводной резины в основном зависит от резиновой подложки, теплопроводного наполнителя и их общего интерфейса.

Теплопроводный наполнитель является основным носителем теплопроводности, его собственная теплопроводность намного выше, чем у материала матрицы, будь то в виде частиц или волокон. Когда теплопроводность наполнителя мала, наполнитель может быть равномерно диспергирован в системе, однако между ними не образуется контакта и взаимодействия. В это время вклад наполнителя в теплопроводность всей системы был незначительным. Однако когда количество наполнителя достигает критической точки, наполнители начинают контактировать и взаимодействовать друг с другом, образуя в системе структуру, похожую на цепь и сеть, которая называется сетью теплопроводности. Если ориентация цепочки теплопроводящей сети параллельна направлению теплового потока, теплопроводность системы значительно улучшается.

Виды теплопроводящего наполнителя

В соответствии с электрическими свойствами резиновых материалов, их можно разделить на теплоизоляционные и нетеплоизоляционные. Теплоизоляционная резина в основном используется в аэрокосмической промышленности, оружии и оборудовании, используемом в силовых трубах, интегральных блоках, тепловых трубах и другом оборудовании, а также в микроэлектронике, коммуникационном оборудовании, моторах и электрооборудовании, нуждающихся в изоляции теплопроводящих частей. В качестве основных теплоизоляционных наполнителей используются нитриды, карбиды и оксиды металлов.

Тепловая неизолирующая резина в основном используется в области теплообменника, солнечного водонагревателя, охладителя батареи и т.д., например, в химическом производстве и очистке сточных вод. В качестве наполнителей обычно используются металлический порошок, углеродное волокно, графит, сажа и т.д.

Итак, наиболее распространенные резиновые изделия - шины - это изоляционные или неизоляционные резиновые материалы? Ответ заключается в том, что шины грузовых автомобилей являются изолированными, в то время как шины самолетов должны проводить электричество. Во время полета самолет производит большое количество электрического заряда, прикрепленного к фюзеляжу в результате трения с атмосферой. В самолетах есть разрядная щетка для снятия статического электричества, но она не может обеспечить полное снятие, так что электростатический разряд может привести к выходу пассажиров из самолета, что крайне опасно. Если же шины самолета проводят электричество, то можно максимально освободиться от большого количества статического электричества, накопившегося за время полета, тем самым снизив аварийность.

Теплопроводящие наполнители для "теплопроводящей изоляционной резины"

* Наполнитель из нитридов и карбидов

Нитриды и карбиды с хорошей изоляцией и высокой теплопроводностью в основном включают нитрид алюминия, нитрид бора, нитрид кремния, карбид кремния, карбид бора и карбид титана. Путем введения этих неорганических керамических наполнителей в резиновую матрицу можно получить теплопроводящую изоляционную резину с хорошими комплексными свойствами.

* Наполнитель из оксида металла

Оксиды металлов, такие как оксид бериллия, оксид алюминия, оксид магния и оксид кремния, обладают относительно высокой теплопроводностью и могут быть добавлены в резину для придания ей теплопроводности и изоляции, а также для придания ей хороших физико-механических свойств.

Например, кремниевая резина, наполненная глиноземом, может использоваться для изготовления теплопроводящего слоя электронных компонентов. Когда количество глинозема в три раза превышает количество кремниевой резины, теплопроводность материала может достигать 2,72 Вт/(м-К).

* Композитный наполнитель

Иногда использование одного наполнителя не может удовлетворить потребности применения, тогда необходимо использовать композитный наполнитель. Например, при наполнении силиконовой резины рафинированным кварцевым порошком и сажей с теплопроводностью более 15 Вт/(м-К) может быть изготовлена теплоизоляционная композитная резина с коэффициентом теплопроводности более 0,4 Вт/(м-К) и удельным сопротивлением более 1012Ω-см.

Теплопроводящие наполнители для "Теплопроводящей неизолирующей резины"

* Наполнитель из металлической пудры

Засыпка алюминиевой пудры в резину может не только значительно улучшить теплопроводность резины, но и производить резиновые изделия с отличными комплексными характеристиками. Кремниевая резина с теплопроводностью v-0 (UL 94) и 1,09 Вт/(м-К) может быть приготовлена путем добавления металлического алюминиевого порошка и порошка гидроксида алюминия, обработанного стеариновой кислотой.

* Наполнение из сажи, графита и углеродного волокна

Сажа и графит обладают высокой теплопроводностью, а некоторые углеродные волокна имеют теплопроводность до 1200 Вт/(м-К), поэтому их можно добавлять в резину для получения теплоизоляционной неизолирующей резины.

* Композитный наполнитель

Теплопроводность резины изменится, если в бутилкаучук, наполненный 50 частями лампового черного, добавить титанат бария. При добавлении 20 порошков титаната бария теплопроводность бутилкаучука достигла максимума. Силастичные материалы, обладающие одновременно огнезащитными свойствами и теплопроводностью, могут быть также получены путем добавления порошка серебра, нитрида бора и антипиренов на основе платины. При определенном соотношении теплопроводность материала может составлять 14 Вт/(м-К), а степень огнестойкости - v-1 (UL 94).

Как правило, теплопроводность резиновой матрицы невелика, что оказывает незначительное влияние на теплопроводность композитных материалов. Поэтому основными факторами, влияющими на теплопроводность, являются сорт, количество наполнителя, размер и форма частиц теплопроводного наполнителя, а также термическое сопротивление границы раздела между матрицей и наполнителем.

- КОНЕЦ -

Об авторе

Кэти Монтанес - научный сотрудник проекта Stanford Advanced Materials (SAM). В свое время она занимала должность профессора-исследователя в университетской школе материаловедения и инженерии, а сейчас отвечает за тестирование характеристик и техническое руководство продукцией SAM, такой как огнеупорные металлы, керамика, лабораторные тигли, шлифовальные бруски и т.д.