Quali sono i tipi di riempitivo termoconduttivo e le loro applicazioni?

La conducibilità termica della gomma

La gomma è uno scarso conduttore di calore, ma è necessario che abbia una certa conducibilità termica per soddisfare i requisiti di utilizzo nelle applicazioni pratiche. I prodotti in gomma con conduttività termica sono ampiamente utilizzati e il miglioramento della conduttività termica ha un grande impatto sulle prestazioni dei prodotti in gomma. Ad esempio, se la temperatura del materiale in gomma utilizzato per i componenti isolanti e termoconduttori dei componenti elettronici aumenta di 2 ℃, la sua affidabilità può diminuire del 10%. Pertanto, i compositi di gomma ad alta conducibilità termica possono trasferire efficacemente il calore, il che è di grande importanza per la densificazione, la miniaturizzazione e il miglioramento dell'affidabilità dei prodotti elettronici.

Inoltre, il materiale in gomma utilizzato nei pneumatici deve avere le caratteristiche di bassa generazione di calore e alta conduzione termica. Da un lato, può migliorare le prestazioni di trasferimento del calore della gomma, aumentare l'efficienza della vulcanizzazione e ridurre il consumo di energia; dall'altro, l'elevata conducibilità termica può aiutare a ricavare tempestivamente il calore generato dal pneumatico nel processo di guida ad alta velocità, ridurre la temperatura del corpo del pneumatico, in modo da ridurre il degrado delle prestazioni causato dalla temperatura eccessiva.

Quando l'auto viaggia ad alta velocità, il calore di attrito e il calore di deformazione aumentano notevolmente con l'aumentare della velocità della ruota. Se il calore non viene rilasciato abbastanza rapidamente, la temperatura del pneumatico aumenterà e la pressione dell'aria all'interno del pneumatico aumenterà di conseguenza, accelerando l'invecchiamento della gomma e causando l'esplosione del pneumatico con conseguenti incidenti.

Meccanismo termico della gomma termica

La gomma termica si divide in gomma termica intrinseca e gomma termica caricata. Il processo di sintesi della gomma a conducibilità termica intrinseca è complesso e costoso, mentre il prezzo della gomma a conducibilità termica piena è basso e facile da lavorare. Pertanto, la gomma a conducibilità termica viene generalmente preparata riempiendo un riempitivo ad alta conducibilità termica. La conducibilità termica della gomma termoconduttiva riempita dipende principalmente dal substrato di gomma, dal riempitivo termoconduttivo e dalla loro interfaccia comune.

Il riempitivo a conducibilità termica è il principale vettore di conducibilità termica e la sua conducibilità termica è molto maggiore rispetto al materiale della matrice, sia sotto forma di particelle che di fibre. Quando la conducibilità termica del riempitivo è piccola, il riempitivo può essere disperso uniformemente nel sistema, ma non si formano contatti e interazioni tra loro. In questo momento, il contributo del riempitivo alla conduttività termica dell'intero sistema non è significativo. Tuttavia, quando la quantità di riempimento raggiunge un punto critico, le cariche iniziano a entrare in contatto e a interagire tra loro, formando nel sistema una struttura simile a una catena e a una rete, chiamata catena di rete di conduzione termica. Quando l'orientamento della catena della rete di conduzione del calore è parallelo alla direzione del flusso di calore, la conducibilità termica del sistema viene notevolmente migliorata.

Tipi di riempimento termoconduttivo

In base alle proprietà elettriche dei materiali in gomma, essi possono essere classificati in isolanti e non isolanti. La gomma per isolamento termico è utilizzata principalmente nel settore aerospaziale, nelle armi e nelle apparecchiature utilizzate nei tubi di potenza, nei blocchi integrati, nei tubi di calore e in altre apparecchiature, nonché nella microelettronica, nelle apparecchiature di comunicazione, nei motori e nelle apparecchiature elettriche che necessitano di parti di conducibilità termica isolante. I principali riempitivi termoisolanti utilizzati sono nitruri, carburi e ossidi metallici.

La gomma termica non isolante è utilizzata principalmente nei settori dello scambiatore di calore, dello scaldacqua solare, del raffreddamento delle batterie, ecc. I riempitivi comunemente utilizzati sono principalmente polvere di metallo, fibra di carbonio, grafite e nerofumo, ecc.

Quindi i prodotti in gomma più comuni - i pneumatici - sono materiali in gomma isolanti o non isolanti? La risposta è che i pneumatici dei camion sono isolati, mentre quelli degli aerei devono condurre l'elettricità. Durante il volo, l'aereo produce una grande quantità di carica elettrica attaccata alla fusoliera per attrito con l'atmosfera. Gli aerei dispongono di spazzole di scarico per rilasciare l'elettricità statica, ma non sono in grado di garantire il rilascio completo, per cui le scariche elettrostatiche causano la discesa dei passeggeri dall'aereo, il che è estremamente pericoloso. Se i pneumatici degli aerei conducono l'elettricità, possono massimizzare il rilascio di una grande quantità di elettricità statica accumulata durante il volo, riducendo così gli incidenti.

Riempitivi termoconduttivi per "gomma isolante termoconduttiva"

* Riempimento di nitruri e carburi

I nitruri e i carburi con un buon isolamento e un'elevata conducibilità termica comprendono principalmente nitruro di alluminio, nitruro di boro, nitruro di silicio, carburo di silicio, carburo di boro e carburo di titanio. Riempiendo queste cariche ceramiche inorganiche nella matrice di gomma, è possibile preparare una gomma isolante termoconduttiva con buone proprietà globali.

* Riempimento di ossido di metallo

Gli ossidi metallici, come l'ossido di berillio, l'ossido di alluminio, l'ossido di magnesio e l'ossido di silicio, hanno una conducibilità termica relativamente elevata e possono essere riempiti di gomma per conferirle conducibilità termica e isolamento, oltre che buone proprietà fisiche e meccaniche.

Ad esempio, la gomma siliconica riempita di allumina può essere utilizzata per realizzare lo strato di conducibilità termica dei componenti elettronici. Quando la quantità di allumina è tre volte superiore a quella della gomma siliconica, la conducibilità termica del materiale può raggiungere i 2,72 W/(m-K).

* Riempitivo composito

A volte, l'uso di un singolo riempitivo non è in grado di soddisfare le esigenze dell'applicazione, per cui è necessario utilizzare un riempitivo composito. Ad esempio, quando la gomma siliconica viene riempita con polvere di silice raffinata e nerofumo con una conducibilità termica superiore a 15 W/(m-K), è possibile realizzare una gomma composita termoisolante con un coefficiente di conducibilità termica superiore a 0,4 W/(m-K) e una resistività superiore a 1012Ω-cm.

Riempitivi termoconduttivi per la "Gomma non isolante termoconduttiva".

* Riempimento di polvere di metallo

Il riempimento di polvere di alluminio nella gomma può non solo migliorare notevolmente la conducibilità termica della gomma, ma anche produrre prodotti in gomma con eccellenti prestazioni globali. La gomma siliconica con conduttività termica v-0 (UL 94) e 1,09 W/(m-K) può essere preparata aggiungendo polvere di alluminio metallico e polvere di idrossido di alluminio trattato con acido stearico.

* Riempimento di nerofumo, grafite e fibra di carbonio

Il nerofumo e la grafite hanno un'elevata conducibilità termica e alcune fibre di carbonio hanno una conducibilità termica fino a 1200 W/(m-K), quindi possono essere riempite nella gomma per produrre gomma non isolante.

* Riempitivo composito

La conducibilità termica della gomma cambia quando il titanato di bario viene aggiunto alla gomma butilica riempita con 50 parti di nerofumo. Quando sono state aggiunte 20 polveri di titanato di bario, la conduttività termica della gomma butilica ha raggiunto il massimo. I materiali silastici con proprietà ritardanti di fiamma e conduttività termica possono essere preparati anche riempiendo polvere d'argento e nitruro di boro e ritardanti di fiamma a base di platino. Con un certo rapporto, il materiale può avere una conducibilità termica di 14 W/(m-K) e un grado di ritardo di fiamma di v-1 (UL 94).

In genere, la conducibilità termica della matrice di gomma è piccola e influisce poco sulla conducibilità termica dei materiali compositi. Pertanto, i principali fattori che influenzano la conducibilità termica sono la varietà, la quantità di riempimento, la dimensione delle particelle e la forma del riempitivo a conducibilità termica, nonché la resistenza termica dell'interfaccia tra matrice e riempitivo.

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L'autore

Cathie Montanez è la scienziata del progetto Stanford Advanced Materials (SAM). In passato è stata professore di ricerca presso la scuola di scienza e ingegneria dei materiali dell'università e ora è responsabile dei test di prestazione e della guida tecnica dei prodotti SAM, come metalli refrattari, ceramiche, crogioli da laboratorio e barre di macinazione, ecc.