إن الوزن الخفيف، والتكلفة المنخفضة، وقوة التأثير العالية، وقابلية التشكيل، والتخصيص هي عوامل تزيد الطلب بسرعة على اللدائن الحرارية، التي تساعد في الحفاظ على برودة الإلكترونيات والإضاءة ومحركات السيارات.#بولي أوليفين
تُستخدم مركبات PolyOne الموصلة للحرارة في تطبيقات السيارات والتطبيقات الإلكترونية، مثل إضاءة LED والمشتتات الحرارية والمرفقات الإلكترونية.
تتضمن منتجات الكمبيوتر الحراري Makrolon من Covestro درجات لمصابيح LED والمشتتات الحرارية.
يمكن استخدام مركبات RTP الموصلة حرارياً في العلب مثل صناديق البطاريات، بالإضافة إلى المشعات ومكونات تبديد الحرارة الأكثر تكاملاً.
لقد حرص مصنعو المعدات الأصلية في الصناعات الكهربائية/الإلكترونية، والسيارات، والإضاءة، والمعدات الطبية، والآلات الصناعية على اللدائن الحرارية الموصلة حرارياً لسنوات عديدة لأنهم يبحثون عن حلول جديدة للتطبيقات بما في ذلك المشعاعات وأجهزة تبديد الحرارة الأخرى، ومصابيح LED.حالة وحالة البطارية.
تظهر أبحاث الصناعة أن هذه المواد تنمو بمعدل مكون من رقمين، مدفوعة بالتطبيقات الجديدة مثل المركبات الكهربائية بالكامل والسيارات المعقدة ومكونات الإضاءة التجارية الكبيرة بتقنية LED.تتحدى المواد البلاستيكية الموصلة حرارياً المواد التقليدية، مثل المعادن (خاصة الألومنيوم) والسيراميك، لأنها تتمتع بالعديد من المزايا: فالمركبات البلاستيكية أخف وزنًا، وأقل تكلفة، وسهلة التشكيل، وقابلة للتخصيص، ويمكن أن توفر المزيد من المزايا في الاستقرار الحراري. ، قوة التأثير ومقاومة الخدش ومقاومة التآكل.
تشمل الإضافات التي تعمل على تحسين التوصيل الحراري الجرافيت والجرافين والحشوات الخزفية مثل نيتريد البورون والألومينا.كما أن التكنولوجيا المستخدمة في استخدامها تتقدم وأصبحت أكثر فعالية من حيث التكلفة.وهناك اتجاه آخر يتمثل في إدخال راتنجات هندسية منخفضة التكلفة (مثل النايلون 6 و66 والكمبيوتر الشخصي) في مركبات موصلة حرارياً، مما يضع المواد الأكثر استخدامًا ذات الأسعار المرتفعة مثل PPS وPSU وPEI في المنافسة.
ما كل هذا العناء؟وقال مصدر في RTP: "إن القدرة على تشكيل أجزاء شبكية، وتقليل عدد الأجزاء وخطوات التجميع، وتقليل الوزن والتكلفة، كلها قوى دافعة لاعتماد هذه المواد"."بالنسبة لبعض التطبيقات، مثل العبوات الكهربائية والقولبة المفرطة للمكونات، فإن القدرة على نقل الحرارة عندما تصبح عازلًا كهربائيًا هي محور الاهتمام."
وأضافت داليا نعماني جولدمان، مديرة تسويق النقل الإلكتروني والكهربائي في أعمال المواد الوظيفية في BASF: "أصبح التوصيل الحراري سريعًا مسألة تثير قلقًا متزايدًا لمصنعي المكونات الإلكترونية ومصنعي المعدات الأصلية للسيارات.نظرًا للتقدم التكنولوجي وقيود المساحة، أصبحت التطبيقات مصغرة وبالتالي حرارية. أصبح تراكم الطاقة ونشرها محور الاهتمام.إذا كانت مساحة المكون محدودة، فمن الصعب إضافة مشتت حراري معدني أو إدخال مكون معدني.
وأوضح نعماني جولدمان أن تطبيقات الجهد العالي تخترق السيارات، وأن الطلب على طاقة المعالجة يتزايد أيضًا.في حزم بطاريات السيارات الكهربائية، يؤدي استخدام المعدن لتشتيت وتبديد الحرارة إلى زيادة الوزن، وهو خيار لا يحظى بشعبية.بالإضافة إلى ذلك، قد تتسبب الأجزاء المعدنية التي تعمل بطاقة عالية في حدوث صدمات كهربائية خطيرة.يسمح الراتينج البلاستيكي الموصل للحرارة ولكن غير الموصل بجهد أعلى مع الحفاظ على السلامة الكهربائية.
قال مهندس التطوير الميداني لشركة Celanese، جيمس ميلر (سلف شركة Cool Polymers التي استحوذت عليها شركة Celanese في عام 2014)، إن المكونات الكهربائية والإلكترونية، وخاصة المكونات الكهربائية والإلكترونية في المركبات الكهربائية، نمت مع مساحة المكونات التي أصبحت مزدحمة أكثر فأكثر وتستمر في الانكماش."أحد العوامل التي تحد من تقليل حجم هذه المكونات هو قدرتها على الإدارة الحرارية.إن التحسينات في خيارات التغليف الموصلة حرارياً تجعل الأجهزة أصغر حجماً وأكثر كفاءة.
وأشار ميلر إلى أنه في المعدات الإلكترونية الخاصة بالطاقة، يمكن الإفراط في تشكيل البلاستيك الموصل للحرارة أو تعبئته، وهو خيار تصميم غير متوفر في المعادن أو السيراميك.بالنسبة للأجهزة الطبية المولدة للحرارة (مثل الأجهزة الطبية المزودة بكاميرات أو مكونات الكي)، تسمح مرونة تصميم المواد البلاستيكية الموصلة للحرارة بتغليف وظيفي خفيف الوزن.
وأشار جان بول شيبينز، المدير العام لأعمال المواد الهندسية المتخصصة في شركة PolyOne، إلى أن صناعات السيارات والصناعات الإلكترونية لديها أكبر طلب على المركبات الموصلة للحرارة.وقال إن هذه المنتجات يمكن أن تلبي مجموعة متنوعة من احتياجات العملاء والصناعة، بما في ذلك حرية التصميم الموسعة، وتمكين التصميم، ويمكن أن تؤدي زيادة مساحة السطح إلى تحسين الاستقرار الحراري.توفر البوليمرات الموصلة حراريًا أيضًا خيارات أكثر خفة الوزن ودمج الأجزاء، مثل دمج المشتتات الحرارية والمبيتات في نفس المكون، والقدرة على إنشاء نظام إدارة حرارية أكثر توحيدًا.تعد الكفاءة الاقتصادية الجيدة لعملية قولبة الحقن عاملاً إيجابيًا آخر."
يعتقد جويل ماتسكو، كبير مديري تسويق البولي كربونات في شركة Covestro، أن المواد البلاستيكية الموصلة للحرارة تركز بشكل أساسي على تطبيقات السيارات."مع ميزة الكثافة التي تبلغ حوالي 50%، يمكنها تقليل الوزن بشكل كبير.ويمكن أن يمتد هذا أيضًا إلى السيارات الكهربائية.لا تزال العديد من وحدات البطاريات تستخدم المعدن للإدارة الحرارية، ولأن معظم الوحدات تستخدم العديد من الهياكل المتكررة في الداخل، فإنها تستخدم التوصيل الحراري، وقد زاد الوزن الذي تم توفيره عن طريق استبدال المعادن بالبوليمرات بسرعة.
وترى شركة Covestro أيضًا اتجاهًا نحو تخفيف وزن مكونات الإضاءة التجارية الكبيرة.يشير ماتسكو إلى أن "مصابيح الإضاءة العالية التي يبلغ وزنها 35 رطلاً بدلاً من 70 رطلاً تتطلب بنية أقل ويسهل على القائمين على التركيب تركيب السقالات".لدى Covestro أيضًا مشاريع حاويات إلكترونية مثل أجهزة التوجيه، حيث تعمل الأجزاء البلاستيكية كحاوية وتوفر إدارة الحرارة.وقالت ماتسكو: "في جميع الأسواق، اعتمادًا على التصميم، يمكننا أيضًا تقليل التكاليف بنسبة تصل إلى 20%".
صرحت شركة PolyOne’s Sheepens أن التطبيقات الرئيسية لتقنية التوصيل الحراري الخاصة بها في السيارات والكهرباء/الكهرباء تشمل إضاءة LED، والمشتتات الحرارية والهيكل الإلكتروني، مثل اللوحات الأم، وصناديق العاكس، وتطبيقات إدارة الطاقة/الأمن.وبالمثل، ترى مصادر RTP أن مركباتها الموصلة للحرارة تستخدم في المساكن والمشتتات الحرارية، بالإضافة إلى مكونات تبديد الحرارة الأكثر تكاملاً في المعدات الصناعية أو الطبية أو الإلكترونية.
قالت ماتسكو من شركة كوفيسترو أن التطبيق الرئيسي للإضاءة التجارية هو استبدال المشعاعات المعدنية.وبالمثل، فإن الإدارة الحرارية لتطبيقات الشبكات المتطورة تنمو أيضًا في أجهزة التوجيه والمحطات الأساسية.وأشار نعماني جولدمان من BASF على وجه التحديد إلى أن المكونات الإلكترونية تشمل قضبان الناقل، وصناديق التوصيل والموصلات ذات الجهد العالي، وعوازل المحركات، وكاميرات الرؤية الأمامية والخلفية.
وقال ميلر من شركة Celanese إن المواد البلاستيكية الموصلة حرارياً قد قطعت خطوات كبيرة في توفير مرونة التصميم ثلاثي الأبعاد لتلبية متطلبات الإدارة الحرارية الأعلى لإضاءة LED.وأضاف: "في مجال إضاءة السيارات، يتيح البوليمر الموصل حراريًا (TCP) الخاص بنا استخدام أغطية الإضاءة العلوية الرفيعة ومشعات بديلة من الألومنيوم للمصابيح الأمامية الخارجية."
قال ميلر من شركة Celanese إن CoolPoly TCP يوفر حلاً لشاشات العرض الأمامية المتنامية للسيارات (HUD) - نظرًا للمساحة المحدودة للوحة القيادة وتدفق الهواء والحرارة، يتطلب هذا التطبيق تبديد حرارة أعلى من الإضاءة الموحدة.يشرق ضوء الشمس على هذا الوضع من السيارة."إن وزن البلاستيك الموصل للحرارة أخف من الألومنيوم، مما يمكن أن يقلل من تأثير الصدمات والاهتزازات على هذا الجزء من السيارة، مما قد يسبب تشويه الصورة."
وفي حالة البطارية، وجدت شركة Celanese حلاً مبتكرًا من خلال سلسلة CoolPoly TCP D، والتي يمكنها توفير التوصيل الحراري دون التوصيل الكهربائي، وبالتالي تلبية متطلبات جودة التطبيق الصارمة نسبيًا.في بعض الأحيان، تحد مادة التسليح الموجودة في البلاستيك الموصل حراريًا من استطالته، لذلك قام خبراء المواد السيلانية بتطوير درجة CoolPoly TCP القائمة على النايلون، وهي أكثر صلابة من الدرجة النموذجية (قوة انثناء 100 ميجا باسكال، معامل انثناء 14 جيجا باسكال، 9 كيلو جول / م2 تأثير شاربي الشق) دون التضحية بالتوصيل الحراري أو الكثافة.
يوفر CoolPoly TCP المرونة في تصميم الحمل الحراري ويمكنه تلبية متطلبات نقل الحرارة للعديد من التطبيقات التي استخدمت الألومنيوم تاريخيًا.تتمثل ميزة القولبة بالحقن في أن مصبوبات الألومنيوم تستهلك ثلث طاقة الألومنيوم، ويتم إطالة عمر الخدمة بمقدار ست مرات.
وفقًا لشركة Matsco of Covestro، فإن التطبيق الرئيسي في قطاع السيارات هو استبدال المشعاعات في وحدات المصابيح الأمامية، ووحدات مصابيح الضباب، ووحدات الإضاءة الخلفية.تعد المشتتات الحرارية لوظائف الشعاع العالي والشعاع المنخفض LED وأنابيب الإضاءة LED وأدلة الإضاءة ومصابيح التشغيل النهارية (DRL) وأضواء إشارة الانعطاف كلها تطبيقات محتملة.
وأشار ماتسكو إلى أن "إحدى القوى الدافعة الرئيسية لكمبيوتر Makrolon الحراري هي القدرة على دمج وظيفة المشتت الحراري مباشرة في مكونات الإضاءة (مثل العاكسات والإطارات والمبيتات)، وهو ما يتم تحقيقه عن طريق قولبة الحقن المتعددة أو اثنين- طرق المكونات."من خلال العاكس والإطار المصنوعين عادةً من الكمبيوتر الشخصي، يمكن رؤية الالتصاق المحسن عند إعادة تشكيل الكمبيوتر الموصل حرارياً عليه للتحكم في الحرارة، وبالتالي تقليل الحاجة إلى تثبيت البراغي أو المواد اللاصقة.يطلب.وهذا يقلل من عدد الأجزاء والعمليات المساعدة والتكاليف الإجمالية على مستوى النظام.بالإضافة إلى ذلك، في مجال السيارات الكهربائية، نرى فرصًا في الإدارة الحرارية وهيكل الدعم لوحدات البطارية.
صرح نعماني جولدمان (نعماني جولدمان) من BASF أيضًا في السيارات الكهربائية أن مكونات حزمة البطارية مثل فواصل البطارية واعدة جدًا."تولد بطاريات الليثيوم أيون الكثير من الحرارة، ولكن يجب أن تكون في بيئة ثابتة تبلغ حوالي 65 درجة مئوية، وإلا فإنها سوف تتدهور أو تفشل."
في البداية، كانت المركبات البلاستيكية الموصلة للحرارة تعتمد على راتنجات هندسية متطورة.ولكن في السنوات الأخيرة، لعبت الراتنجات الهندسية المجمعة مثل النايلون 6 و 66، و PC و PBT دورًا كبيرًا.وقال ماتسكو من شركة كوفيسترو: "تم العثور على كل هذا في البرية.ومع ذلك، ولأسباب تتعلق بالتكلفة، يبدو أن السوق يتركز بشكل أساسي على النايلون والبولي كربونات.
وقال شيبينز إنه على الرغم من أن PPS لا يزال يستخدم في كثير من الأحيان، فقد زاد نايلون PolyOne 6 و66 وPBT.
وذكرت RTP أن النايلون، وPPS، وPBT، وPC، وPP هي الراتنجات الأكثر شيوعًا، ولكن اعتمادًا على تحدي التطبيق، يمكن استخدام العديد من اللدائن الحرارية عالية الأداء مثل PEI، وPEEK، وPPSU.قال مصدر RTP: "على سبيل المثال، يمكن تصنيع المشتت الحراري لمصباح LED من مادة مركبة من النايلون 66 لتوفير توصيل حراري يصل إلى 35 واط/م ك.بالنسبة للبطاريات الجراحية التي يجب أن تتحمل التعقيم المتكرر، يلزم استخدام PPSU.خصائص العزل الكهربائي وتقليل تراكم الرطوبة.
وقال نعماني جولدمان إن شركة BASF لديها العديد من المركبات التجارية الموصلة حرارياً، بما في ذلك النايلون 6 و66 درجة."لقد تم استخدام موادنا في الإنتاج في مجموعة متنوعة من التطبيقات مثل أغلفة المحركات والبنية التحتية الكهربائية.ومع استمرارنا في تحديد احتياجات العملاء فيما يتعلق بالتوصيل الحراري، يعد هذا مجالًا نشطًا للتطوير.العديد من العملاء لا يعرفون ما هو مستوى الموصلية التي يحتاجون إليها، لذلك يجب أن تكون المواد مصممة خصيصًا لتطبيقات محددة لتكون فعالة.
أطلقت DSM Engineering Plastics مؤخرًا Xytron G4080HR، وهو عبارة عن PPS معزز بالألياف الزجاجية بنسبة 40٪ يعمل على تحسين أداء أنظمة الإدارة الحرارية للمركبات الكهربائية.لقد تم تصميمه بخصائص التعتيق الحراري، ومقاومة التحلل المائي، وثبات الأبعاد، والمقاومة الكيميائية في درجات الحرارة العالية وتثبيط اللهب المتأصل.
ووفقا للتقارير، يمكن لهذه المادة الحفاظ على قوة تتراوح من 6000 إلى 10000 ساعة عند درجة حرارة عمل متواصلة تتجاوز 130 درجة مئوية.في أحدث اختبار لمدة 3000 ساعة عند 135 درجة مئوية لسائل الماء/الجليكول، زادت قوة الشد لـ Xytron G4080HR بنسبة 114% وزادت الاستطالة عند الكسر بنسبة 63% مقارنة بالمنتج المكافئ.
وذكر RTP أنه وفقًا لمتطلبات التطبيق، يمكن استخدام أي من مجموعة متنوعة من الإضافات لتحسين التوصيل الحراري، وأشار إلى: "لا تزال الإضافات الأكثر شيوعًا هي الإضافات مثل الجرافيت، لكننا نستكشف خيارات جديدة مثل الجرافين أو إضافات سيراميك جديدة..نظام."
تم إطلاق مثال على هذا الأخير في العام الماضي بواسطة Martinswerk Div ​​التابع لشركة Huber Engineered Polymers.وفقا للتقارير، استنادا إلى الألومينا، ولاتجاهات الهجرة الجديدة (مثل الكهرباء)، فإن أداء إضافات سلسلة مارتوكسيد أفضل من الألومينا الأخرى والحشوات الموصلة الأخرى.يتم تعزيز المارتوكسيد من خلال التحكم في توزيع حجم الجسيمات ومورفولوجيتها لتوفير تعبئة وكثافة محسنة ومعالجة سطحية فريدة.وبحسب التقارير، يمكن استخدامه بكمية تعبئة تتجاوز 60% دون التأثير على الخواص الميكانيكية أو الريولوجية.إنه يُظهر إمكانات ممتازة في PP، TPO، النايلون 6 و66، ABS، PC وLSR.
وقال ماتسكو من شركة كوفسترو إن كلاً من الجرافيت والجرافين تم استخدامهما على نطاق واسع، وأشار إلى أن الجرافيت له تكلفة منخفضة نسبيًا وموصلية حرارية معتدلة، في حين أن تكلفة الجرافين عادة أكثر، لكنه يتمتع بمزايا توصيل حراري واضحة.وأضاف: "غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى مواد موصلة للحرارة وعازلة للكهرباء (TC/EI)، وهذا هو المكان الذي تشيع فيه الإضافات مثل نيتريد البورون.لسوء الحظ، لن تحصل على شيء.في هذه الحالة، يوفر نيتريد البورون تحسين العزل الكهربائي، ولكن يتم تقليل التوصيل الحراري.علاوة على ذلك، قد تكون تكلفة نيتريد البورون مرتفعة جدًا، لذلك يجب أن يصبح TC/EI أداءً ماديًا يحتاج بشكل عاجل إلى إثبات زيادة التكلفة.
ويوضح نعماني جولدمان من شركة BASF الأمر بهذه الطريقة: "يكمن التحدي في تحقيق التوازن بين التوصيل الحراري والمتطلبات الأخرى؛لضمان إمكانية معالجة المواد بكفاءة بكميات كبيرة وعدم انخفاض الخواص الميكانيكية كثيرًا.ويتمثل التحدي الآخر في إنشاء نظام يمكن اعتماده على نطاق واسع.حلا فعالا من حيث التكلفة."
تعتقد شركة PolyOne's Scheepens أن كلاً من الحشوات المعتمدة على الكربون (الجرافيت) والحشوات الخزفية هي مواد مضافة واعدة من المتوقع أن تحقق التوصيل الحراري المطلوب وتوازن الخواص الكهربائية والميكانيكية الأخرى.
وقال ميلر من شركة Celanese إن الشركة استكشفت مجموعة متنوعة من المواد المضافة التي تجمع بين أكبر تشكيلة من الراتنجات الأساسية المتكاملة رأسياً في الصناعة لتوفير مكونات خاصة تجعل التوصيل الحراري يتراوح بين 0.4-40 واط/م ك.
ويبدو أن الطلب على المركبات الموصلة متعددة الوظائف مثل الموصلية الحرارية والكهربائية أو مثبطات اللهب والحرارة يتزايد أيضًا.
وأشار ماتسكو من Covestro إلى أنه عندما أطلقت الشركة جهازي الكمبيوتر Makrolon TC8030 وTC8060 الموصلين للحرارة، بدأ العملاء على الفور في التساؤل عما إذا كان من الممكن تحويلهما إلى مواد عازلة للكهرباء."الحل ليس بهذه البساطة.كل ما نقوم به لتحسين الذكاء العاطفي سيكون له تأثير سلبي على TC.والآن، نقدم البولي كربونات Makrolon TC110 ونقوم بتطوير حلول أخرى لتلبية هذه المتطلبات.
وقال نعماني جولدمان من BASF إن التطبيقات المختلفة تتطلب التوصيل الحراري وخصائص أخرى، مثل حزم البطاريات والموصلات عالية الجهد، والتي تحتاج جميعها إلى تبديد الحرارة ويجب أن تستوفي معايير مثبطات اللهب الصارمة عند استخدام بطاريات الليثيوم أيون.
شهدت كل من PolyOne وRTP وCelanese طلبًا كبيرًا على المركبات متعددة الوظائف من جميع قطاعات السوق، وتوفر التوصيل الحراري والدرع الكهرومغناطيسي، وتأثير أعلى، ومثبطات اللهب، والعزل الكهربائي، والمركبات ذات وظائف مثل مقاومة الأشعة فوق البنفسجية والاستقرار الحراري.
تقنيات القولبة التقليدية ليست فعالة بالنسبة للمواد ذات درجة الحرارة العالية.يحتاج القائمون على القوالب إلى فهم شروط ومعايير معينة لحل المشكلات التي تنتج أحيانًا عن ارتفاع درجة حرارة القولبة بالحقن.
أظهرت دراسة جديدة كيف يؤثر نوع وكمية البولي إيثيلين منخفض الكثافة الممزوج بالبولي إيثيلين منخفض الكثافة على قابلية المعالجة وقوة/صلابة الفيلم المنفوخ.يتم عرض البيانات للمخاليط الغنية بـ LDPE والغنية بـ LLDPE.