¿Cuáles son los tipos de masilla termoconductora y sus aplicaciones?

La conductividad térmica del caucho

El caucho es un mal conductor del calor, pero es necesario que tenga cierta conductividad térmica para cumplir los requisitos de uso en la aplicación práctica. Los productos de caucho con conductividad térmica se utilizan ampliamente, y la mejora de la conductividad térmica tiene un gran impacto en el rendimiento de los productos de caucho. Por ejemplo, si la temperatura del material de caucho utilizado para aislar y conducir el calor de los componentes electrónicos aumenta en 2 ℃, su fiabilidad puede disminuir en un 10%. Por lo tanto, los compuestos de caucho con alta conductividad térmica pueden transferir eficazmente el calor, lo que es de gran importancia para la densificación, miniaturización y mejora de la fiabilidad de los productos electrónicos.

Además, el material de caucho utilizado en neumáticos debe tener las características de baja generación de calor y alta conducción térmica. Por un lado, puede mejorar el rendimiento de transferencia de calor del caucho, aumentar la eficiencia de vulcanización y reducir el consumo de energía; Por otro lado, la alta conductividad térmica puede ayudar a derivar oportunamente el calor generado por el neumático en el proceso de conducción a alta velocidad, reducir la temperatura del cuerpo del neumático, a fin de reducir la degradación del rendimiento causada por una temperatura excesiva.

Cuando el coche circula a alta velocidad, el calor de fricción y el calor de deformación aumentarán significativamente a medida que aumente la velocidad de la rueda. Si el calor no se libera lo suficientemente rápido, hará que la temperatura del neumático aumente y que la presión del aire dentro del neumático aumente en consecuencia, lo que puede acelerar el envejecimiento del caucho y hacer que los neumáticos exploten, provocando accidentes.

Mecanismo térmico del caucho térmico

El caucho térmico se divide en caucho térmico intrínseco y caucho térmico relleno. El proceso de síntesis del caucho de conductividad térmica intrínseca es complejo y costoso, mientras que el precio del caucho de conductividad térmica relleno es bajo y fácil de procesar. Por lo tanto, el caucho de conductividad térmica se prepara generalmente rellenando un relleno con alta conductividad térmica. La conductividad térmica del caucho conductor térmico relleno depende principalmente del sustrato de caucho, del relleno conductor térmico y de su interfaz común.

El relleno de conductividad térmica es el principal portador de conductividad térmica, su propia conductividad térmica es mucho mayor que la del material de la matriz, ya sea en forma de partículas o fibras. Cuando la conductividad térmica del relleno es pequeña, el relleno puede dispersarse uniformemente en el sistema, sin embargo, no se formó ningún contacto e interacción entre ellos. En ese momento, la contribución del relleno a la conductividad térmica de todo el sistema no era significativa. Sin embargo, cuando la cantidad de relleno alcanza un punto crítico, los rellenos empiezan a entrar en contacto e interactuar entre sí, formando una estructura similar a una cadena y una red en el sistema, que se denomina cadena de red de conducción térmica. Cuando la orientación de la cadena de la red de conducción de calor es paralela a la dirección del flujo de calor, la conductividad térmica del sistema mejorará en gran medida.

Tipos de relleno conductor del calor

Según las propiedades eléctricas de los materiales de caucho, pueden clasificarse en tipo aislante y tipo no aislante. El caucho de aislamiento térmico se utiliza principalmente en la industria aeroespacial, armamento y equipos utilizados en el tubo de potencia, bloque integrado, tubo de calor y otros equipos, así como en microelectrónica, equipos de comunicación, motor y equipos eléctricos necesitan piezas de conductividad térmica de aislamiento. Los principales rellenos de aislamiento térmico utilizados son nitruros, carburos y óxidos metálicos.

El caucho no aislante térmico se utiliza principalmente en los campos del intercambiador de calor, el calentador de agua solar, el enfriador de baterías, etc., como la producción química y el tratamiento de aguas residuales. Los rellenos más utilizados son principalmente polvo metálico, fibra de carbono, grafito y negro de humo, etc.

Entonces, los productos de caucho más comunes, los neumáticos, ¿son materiales de caucho aislantes o no aislantes? La respuesta es que los neumáticos de camión son aislantes, mientras que los neumáticos de avión deben conducir la electricidad. Durante el vuelo, el avión producirá una gran cantidad de carga eléctrica adherida al fuselaje por la fricción con la atmósfera. Los aviones tienen un cepillo de descarga para liberar la electricidad estática, pero no se puede asegurar que la liberación completa por lo que la descarga electrostática causará cuando los pasajeros fuera del avión, lo cual es extremadamente peligroso. Si los neumáticos de los aviones conducen la electricidad, se puede maximizar la liberación de una gran cantidad de electricidad estática acumulada durante el vuelo, reduciendo así los accidentes.

Rellenos térmicamente conductores para "caucho aislante térmicamente conductor"

* Relleno de nitruros y carburos

Los nitruros y carburos con buen aislamiento y alta conductividad térmica incluyen principalmente nitruro de aluminio, nitruro de boro, nitruro de silicio, carburo de silicio, carburo de boro y carburo de titanio. Rellenando estos rellenos cerámicos inorgánicos en la matriz de caucho, se puede preparar el caucho aislante conductor del calor con buenas propiedades integrales.

* Relleno de óxido metálico

Los óxidos metálicos como el óxido de berilio, el óxido de aluminio, el óxido de magnesio y el óxido de silicio tienen una conductividad térmica relativamente alta, por lo que pueden rellenarse en caucho para darle conductividad térmica y aislamiento, y hacer que tenga buenas propiedades físicas y mecánicas.

Por ejemplo, el caucho de silicona relleno de alúmina puede utilizarse para fabricar la capa de conductividad térmica de los componentes electrónicos. Cuando la cantidad de alúmina es tres veces superior a la de caucho de silicona, la conductividad térmica del material puede alcanzar los 2,72W/(m-K).

* Relleno compuesto

A veces, el uso de un solo relleno no puede satisfacer las necesidades de la aplicación, es necesario utilizar el relleno compuesto. Por ejemplo, cuando el caucho de silicona se rellena con polvo de sílice refinado y negro de humo con una conductividad térmica superior a 15 W/(m-K), se puede fabricar caucho compuesto de aislamiento térmico con un coeficiente de conductividad térmica superior a 0,4 W/(m-K) y una resistividad superior a 1012Ω-cm.

Rellenostérmicamente conductores para "Caucho no aislante térmicamente conductor"

* Relleno de polvo metálico

El relleno de polvo de aluminio en caucho no solo puede mejorar en gran medida la conductividad térmica del caucho, sino también producir productos de caucho con un excelente rendimiento integral. El caucho de silicona con conductividad térmica v-0 (UL 94) y 1,09 W/(m-K) puede prepararse añadiendo polvo de aluminio metálico y polvo de hidróxido de aluminio tratado con ácido esteárico.

* Relleno de negro de humo, grafito y fibra de carbono

El negro de humo y el grafito tienen una alta conductividad térmica, y algunas fibras de carbono tienen una conductividad térmica de hasta 1200 W/(m-K), por lo que pueden rellenarse en caucho para producir caucho térmico no aislante.

* Relleno compuesto

La conductividad térmica del caucho cambiará cuando se añada titanato de bario al caucho butílico relleno con 50 partes de negro de humo. Cuando se añadieron 20 polvos de titanato de bario, la conductividad térmica del caucho butílico alcanzó el máximo. También se pueden preparar materiales silásticos con propiedades ignífugas y conductividad térmica rellenando polvo de plata y nitruro de boro y retardantes de llama a base de platino. En una determinada proporción, el material puede tener una conductividad térmica de 14 W/(m-K) y un grado de retardante de llama de v-1 (UL 94).

Por lo general, la conductividad térmica de la matriz de caucho es pequeña, lo que influye poco en la conductividad térmica de los materiales compuestos. Por lo tanto, los principales factores que influyen en la conductividad térmica son la variedad, la cantidad de relleno, el tamaño de las partículas y la forma del relleno de conductividad térmica, así como la resistencia térmica de la interfaz entre la matriz y el relleno.

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Sobre la autora

Cathie Montanez es Científica de Proyectos en Stanford Advanced Materials (SAM). Anteriormente fue profesora de investigación en la escuela de ciencia e ingeniería de materiales de la universidad, y ahora es responsable de las pruebas de rendimiento y la orientación técnica de los productos de SAM, como metales refractarios, cerámicas, crisoles de laboratorio y barras de molienda, etc.