Quais são os tipos de enchimento condutor de calor e suas aplicações?

A condutividade térmica da borracha

A borracha é um mau condutor de calor, mas é necessário que ela tenha certa condutividade térmica para atender aos requisitos de uso em aplicações práticas. Os produtos de borracha com condutividade térmica são amplamente utilizados, e o aprimoramento da condutividade térmica tem um grande impacto no desempenho dos produtos de borracha. Por exemplo, se a temperatura do material de borracha usado para isolar e conduzir o calor dos componentes eletrônicos aumentar 2 ℃, sua confiabilidade pode cair 10%. Portanto, os compostos de borracha com alta condutividade térmica podem transferir calor com eficiência, o que é de grande importância para a densificação, miniaturização e melhoria da confiabilidade dos produtos eletrônicos.

Além disso, o material de borracha usado no pneu deve ter as características de baixa geração de calor e alta condução de calor. Por um lado, ele pode melhorar o desempenho da transferência de calor da borracha, aumentar a eficiência da vulcanização e reduzir o consumo de energia; por outro lado, a alta condutividade térmica pode ajudar a derivar oportunamente o calor gerado pelo pneu no processo de condução em alta velocidade, reduzir a temperatura do corpo do pneu, de modo a reduzir a degradação do desempenho causada pela temperatura excessiva.

Quando o carro está rodando em alta velocidade, o calor de atrito e o calor de deformação aumentam significativamente à medida que a velocidade da roda aumenta. Se o calor não for liberado com rapidez suficiente, a temperatura do pneu aumentará e a pressão do ar dentro do pneu também, o que pode acelerar o envelhecimento da borracha e causar a explosão dos pneus, causando acidentes.

Mecanismo térmico da borracha térmica

A borracha térmica é dividida em borracha térmica intrínseca e borracha térmica preenchida. O processo de síntese da borracha de condutividade térmica intrínseca é complexo e caro, enquanto o preço da borracha de condutividade térmica preenchida é baixo e fácil de processar. Portanto, a borracha de condutividade térmica geralmente é preparada com o preenchimento de uma carga com alta condutividade térmica. A condutividade térmica da borracha de condutividade térmica preenchida depende principalmente do substrato de borracha, da carga termicamente condutora e da interface comum entre eles.

O preenchimento de condutividade térmica é o principal portador de condutividade térmica, sua própria condutividade térmica é muito maior do que a do material da matriz, seja na forma de partículas ou fibras. Quando a condutividade térmica do material de enchimento é pequena, o material de enchimento pode ser uniformemente disperso no sistema, mas não há contato nem interação entre eles. Nesse momento, a contribuição do enchimento para a condutividade térmica de todo o sistema não era significativa. No entanto, quando a quantidade de enchimento atinge um ponto crítico, os enchimentos começam a entrar em contato e interagir uns com os outros, formando uma estrutura semelhante a uma cadeia e uma rede no sistema, que é chamada de cadeia de rede de condução de calor. Quando a orientação da cadeia da rede de condução de calor for paralela à direção do fluxo de calor, a condutividade térmica do sistema será bastante aprimorada.

Tipos de enchimento condutor de calor

De acordo com as propriedades elétricas dos materiais de borracha, eles podem ser classificados em tipo de isolamento e tipo de não isolamento. A borracha de isolamento térmico é usada principalmente na indústria aeroespacial, em armas e em equipamentos usados em tubos de energia, blocos integrados, tubos de calor e outros equipamentos, bem como em microeletrônica, equipamentos de comunicação, motores e equipamentos elétricos que precisam de peças de condutividade térmica de isolamento. Os principais enchimentos de isolamento térmico usados são nitretos, carbonetos e óxidos metálicos.

A borracha não isolante térmica é usada principalmente nas áreas de trocador de calor, aquecedor solar de água, resfriador de bateria etc., como produção química e tratamento de águas residuais. Os enchimentos comumente usados são principalmente pó metálico, fibra de carbono, grafite e negro de fumo, etc.

Então, os produtos de borracha mais comuns, os pneus, são materiais de borracha isolantes ou não isolantes? A resposta é que os pneus de caminhão são isolados, enquanto os pneus de avião precisam conduzir eletricidade. Durante o voo, a aeronave produzirá uma grande quantidade de carga elétrica presa à fuselagem por atrito com a atmosfera. As aeronaves têm uma escova de descarga para liberar a eletricidade estática, mas não é possível garantir a liberação completa, de modo que a descarga eletrostática causará a saída dos passageiros do avião, o que é extremamente perigoso. Se os pneus da aeronave conduzirem eletricidade, será possível maximizar a liberação de uma grande quantidade de estática acumulada durante o voo, reduzindo assim os acidentes.

Enchimentos termicamente condutores para "borracha isolante termicamente condutora"

* Enchimento de nitretos e carbonetos

O nitreto e o carbeto com bom isolamento e alta condutividade térmica incluem principalmente nitreto de alumínio, nitreto de boro, nitreto de silício, carbeto de silício, carbeto de boro e carbeto de titânio. Com o preenchimento desses enchimentos de cerâmica inorgânica na matriz de borracha, é possível preparar a borracha isolante condutora de calor com boas propriedades abrangentes.

* Preenchimento de óxido de metal

Os óxidos metálicos, como óxido de berílio, óxido de alumínio, óxido de magnésio e óxido de silício, têm uma condutividade térmica relativamente alta e podem ser preenchidos com borracha para proporcionar condutividade térmica e isolamento, além de boas propriedades físicas e mecânicas.

Por exemplo, a borracha de silicone preenchida com alumina pode ser usada para fazer a camada de condutividade térmica de componentes eletrônicos. Quando a quantidade de alumina é três vezes maior que a de borracha de silicone, a condutividade térmica do material pode chegar a 2,72 W/(m-K).

* Enchimento composto

Às vezes, o uso de um único material de enchimento não consegue atender às necessidades da aplicação, sendo necessário usar o material de enchimento composto. Por exemplo, quando a borracha de silicone é preenchida com pó de sílica refinada e negro de fumo com condutividade térmica superior a 15 W/(m-K), é possível produzir borracha composta de isolamento térmico com coeficiente de condutividade térmica superior a 0,4 W/(m-K) e resistividade superior a 1012Ω-cm.

Enchimentos termicamente condutores para "Borracha termicamente condutora não isolante"

* Enchimento de pó metálico

O enchimento de pó de alumínio na borracha pode não apenas melhorar muito a condutividade térmica da borracha, mas também produzir produtos de borracha com excelente desempenho abrangente. A borracha de silicone com condutividade térmica v-0 (UL 94) e 1,09 W/(m-K) pode ser preparada com a adição de pó de alumínio metálico e pó de hidróxido de alumínio tratado com ácido esteárico.

* Preenchimento de negro de fumo, grafite e fibra de carbono

O negro de fumo e o grafite têm alta condutividade térmica, e algumas fibras de carbono têm condutividade térmica de até 1.200 W/(m-K), de modo que podem ser preenchidas com borracha para produzir borracha não isolante térmica.

* Enchimento composto

A condutividade térmica da borracha mudará quando o titanato de bário for adicionado à borracha butílica preenchida com 50 partes de negro de fumo. Quando 20 pós de titanato de bário foram adicionados, a condutividade térmica da borracha butílica atingiu o máximo. Os materiais silásticos com propriedades retardantes de chama e condutividade térmica também podem ser preparados com pó de prata e nitreto de boro e retardantes de chama à base de platina. Em uma determinada proporção, o material pode ter uma condutividade térmica de 14 W/(m-K) e um grau de retardante de chamas de v-1 (UL 94).

Em geral, a condutividade térmica da matriz de borracha é pequena, o que tem pouca influência sobre a condutividade térmica dos materiais compostos. Portanto, os principais fatores que influenciam a condutividade térmica são a variedade, a quantidade de enchimento, o tamanho da partícula e a forma do enchimento de condutividade térmica, bem como a resistência térmica da interface entre a matriz e o enchimento.

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Sobre a autora

Cathie Montanez é a cientista de projetos da Stanford Advanced Materials (SAM). Ela já foi professora de pesquisa na escola de ciência e engenharia de materiais da universidade e agora é responsável pelos testes de desempenho e pela orientação técnica dos produtos da SAM, como metais refratários, cerâmicas, cadinhos de laboratório e barras de moagem, etc.