משקל קל, עלות נמוכה, חוזק פגיעה גבוה, יכולת עיצוב והתאמה אישית מניעים במהירות את הביקוש לתרמופלסטיים, שעוזרים לשמור על קור רוח של אלקטרוניקה, תאורה ומנועי מכוניות.#פוליאולפין
התרכובות המוליכות תרמית של PolyOne משמשות ביישומי רכב ו-E/E, כגון תאורת LED, גופי קירור ומארזים אלקטרוניים.
מוצרי המחשב התרמיים של Makrolon של Covestro כוללים ציונים עבור מנורות LED וגופי קירור.
ניתן להשתמש בתרכובות המוליכות תרמית של RTP במארזים כגון קופסאות סוללות, כמו גם ברדיאטורים ורכיבים משולבים יותר של פיזור חום.
יצרני OEM בתעשיות החשמל/אלקטרוניקה, הרכב, התאורה, הציוד הרפואי והמכונות התעשייתיות היו להוטים בתרמופלסטיים מוליכים תרמית כבר שנים רבות מכיוון שהם מחפשים פתרונות חדשים ליישומים לרבות רדיאטורים והתקני פיזור חום אחרים, נוריות.מארז ומארז סוללה.
מחקרים בתעשייה מראים כי חומרים אלו גדלים בקצב דו ספרתי, מונע על ידי יישומים חדשים כגון רכבים חשמליים, מכוניות מורכבות ורכיבי תאורת LED מסחריים גדולים.פלסטיק מוליכים תרמית מאתגרים חומרים מסורתיים יותר, כמו מתכות (במיוחד אלומיניום) וקרמיקה, מכיוון שיש להם יתרונות רבים: תרכובות פלסטיק קלות יותר במשקל, עלות נמוכה יותר, קלות ליצירה, ניתנות להתאמה אישית ויכולות לספק יתרונות נוספים ביציבות תרמית. , חוזק פגיעה ועמידות בפני שריטות ועמידות בפני שחיקה.
תוספים המשפרים מוליכות תרמית כוללים גרפיט, גרפן וחומרי מילוי קרמיים כגון בורון ניטריד ואלומינה.גם הטכנולוגיה לשימוש בהם מתקדמת והופכת לחסכונית יותר.מגמה נוספת היא הכנסת שרפים הנדסיים בעלות נמוכה (כגון ניילון 6 ו-66 ו-PC) לתוך תרכובות מוליכות תרמית, מה שמכניס לתחרות חומרים יקרים יותר כמו PPS, PSU ו-PEI.
על מה כל המהומה?מקור ב-RTP אמר: "היכולת ליצור חלקים נטו, להפחית את מספר החלקים ושלבי ההרכבה ולהפחית משקל ועלות הם כולם כוחות המניעים לאימוץ החומרים הללו"."עבור יישומים מסוימים, כגון מארזים חשמליים ועיצוב יתר של רכיבים, היכולת להעביר חום כאשר הופכים למבודד חשמלי היא מוקד תשומת הלב."
דליה נעמני-גולדמן, מנהלת שיווק הובלה אלקטרונית וחשמלית של עסקי החומרים הפונקציונליים של BASF, הוסיפה: "מוליכות תרמית הופכת במהירות לנושא שמעורר דאגה גוברת עבור יצרני רכיבים אלקטרוניים ויצרני OEM לרכב.בשל ההתקדמות הטכנולוגית ומגבלות החלל, היישומים ממוזערים ולכן תרמית הצטברות והפצת כוח הפכו למוקד תשומת הלב.אם טביעת הרגל של הרכיב מוגבלת, קשה להוסיף גוף קירור מתכתי או להכניס רכיב מתכת".
נעמני-גולדמן הסבירה שיישומי מתח גבוה יותר חודרים לרכבים, וגם הביקוש לכוח עיבוד הולך וגדל.בחבילות סוללות לרכב חשמלי, השימוש במתכת לפיזור ופיזור חום מעלה משקל, וזו בחירה לא פופולרית.בנוסף, חלקי מתכת הפועלים בעוצמה גבוהה עלולים לגרום להתחשמלות מסוכנים.שרף פלסטי מוליך תרמית אך לא מוליך מאפשר מתחים גבוהים יותר תוך שמירה על בטיחות החשמל.
מהנדס הפיתוח בשטח של Celanese, ג'יימס מילר (קודמו של Cool Polymers שנרכש על ידי Celanese ב-2014) אמר כי רכיבים חשמליים ואלקטרוניים, במיוחד רכיבים חשמליים ואלקטרוניים בכלי רכב חשמליים, גדלו עם חלל הרכיבים הוא הופך צפוף יותר ויותר וממשיך להתכווץ."גורם אחד המגביל את הפחתת הגודל של רכיבים אלה הוא יכולות הניהול התרמי שלהם.שיפורים באפשרויות אריזה מוליכות תרמית הופכים את המכשירים לקטנים ויעילים יותר".
מילר ציין כי בציוד אלקטרוני כוח, פלסטיק מוליכים תרמית יכול להיות יצוק יתר על המידה או ארוז, וזו בחירה עיצובית שאינה זמינה במתכות או קרמיקה.עבור מכשירים רפואיים המייצרים חום (כגון מכשירים רפואיים עם מצלמות או רכיבי צריבה), הגמישות העיצובית של פלסטיק מוליכים תרמית מאפשרת אריזה פונקציונלית קלה יותר.
ז'אן-פול Scheepens, המנהל הכללי של תחום החומרים ההנדסיים המיוחדים של PolyOne, ציין כי לתעשיות הרכב וה-E/E יש את הביקוש הגדול ביותר לתרכובות מוליכות תרמית.לדבריו, מוצרים אלה יכולים לענות על מגוון צרכי לקוחות ותעשיה, כולל חופש עיצובי מורחב, המאפשר עיצוב. שטח הפנים המוגדל יכול לשפר את היציבות התרמית.פולימרים מוליכים תרמית מספקים גם אפשרויות קלות יותר ואיחוד חלקים, כגון שילוב גופי קירור וביתים באותו רכיב, ויכולת ליצור מערכת ניהול תרמית אחידה יותר.היעילות הכלכלית הטובה של תהליך ההזרקה היא גורם חיובי נוסף.”
ג'ואל מטסקו, מנהל שיווק בכיר לפוליקרבונט בקובסטרו, מאמין שפלסטיק מוליכים תרמית מתמקד בעיקר ביישומי רכב."עם יתרון צפיפות של כ-50%, הם יכולים להפחית משמעותית את המשקל.ניתן להרחיב את זה גם לכלי רכב חשמליים.מודולי סוללה רבים עדיין משתמשים במתכת לניהול תרמי, ומכיוון שרוב המודולים משתמשים במבנים רבים שחוזרים על עצמם בפנים, הם משתמשים במוליכות תרמית המשקל שנחסך על ידי החלפת מתכות בפולימרים גדל במהירות."
Covestro גם רואה מגמה של קל משקל של רכיבי תאורה מסחריים גדולים.מאטסקו מציין: "35 פאונד במקום 70 פאונד אורות גבוהים דורשים פחות מבנה וקל יותר למתקינים להמשיך בפיגומים."ל-Covestro יש גם פרויקטים של מארזים אלקטרוניים כמו נתבים, שבהם חלקי פלסטיק משמשים כמיכל ומספקים ניהול חום.מאטסקו אמר: "בכל השווקים, בהתאם לעיצוב, אנחנו יכולים גם להפחית עלויות עד 20%".
PolyOne's Sheepens's ציינו שיישומים מרכזיים של טכנולוגיית המוליכות התרמית שלה במכוניות וב-E/E כוללים תאורת LED, גופי קירור ושלדה אלקטרונית, כגון לוחות אם, קופסאות אינוורטר, ויישומי ניהול/אבטחה של צריכת חשמל.באופן דומה, מקורות RTP רואים את התרכובות המוליכות התרמית שלו בשימוש בבתים ובכיורי קירור, כמו גם רכיבים משולבים יותר של פיזור חום בציוד תעשייתי, רפואי או אלקטרוני.
Matsco מ-Covestro אמר כי היישום העיקרי של תאורה מסחרית הוא החלפת רדיאטורים ממתכת.באופן דומה, ניהול תרמי של יישומי רשת מתקדמים הולך וגדל גם בנתבים ובתחנות בסיס.נעמני-גולדמן של BASF ציינה במפורש כי הרכיבים האלקטרוניים כוללים פסי אוטובוס, תיבות חיבור ומחברים במתח גבוה, מבודדי מנוע ומצלמות ראייה קדמית ואחורית.
מילר של Celanese אמר כי פלסטיק מוליכים תרמית עשה צעדים גדולים במתן גמישות עיצובית תלת מימדית כדי לעמוד בדרישות ניהול תרמיות גבוהות יותר עבור תאורת LED.הוא הוסיף: "בתאורת רכב, CoolPoly Thermally Conductive Polymer (TCP) שלנו מאפשר שימוש בבתי תאורה עיליים בעלי פרופיל דק ורדיאטורים חלופיים מאלומיניום עבור פנסים חיצוניים."
מילר של Celanese אמר ש-CoolPoly TCP מספקת פתרון לתצוגת ה-head-up של הרכב (HUD) ההולכת וגדלה - בגלל שטח לוח מחוונים מוגבל, זרימת אוויר וחום, יישום זה דורש פיזור חום גבוה יותר מאשר תאורה אחידה.אור שמש זורח על מיקום זה של המכונית."המשקל של פלסטיק מוליך תרמית קל יותר מאלומיניום, מה שיכול להפחית את ההשפעה של זעזועים ורעידות על חלק זה של הרכב, מה שעלול לגרום לעיוות תמונה."
במארז הסוללה, Celanese מצאה פתרון חדשני באמצעות סדרת CoolPoly TCP D, שיכולה לספק מוליכות תרמית ללא מוליכות חשמלית, ובכך לעמוד בדרישות איכות יישום מחמירות יחסית.לפעמים, חומר החיזוק בפלסטיק המוליך תרמית מגביל את התארכותו, ולכן מומחי החומרים של Celanese פיתחו CoolPoly TCP בדרגה מבוססת ניילון, שהוא קשיח יותר מהדרגה הטיפוסית (חוזק כיפוף 100 MPa, מודול כיפוף 14 GPa, 9 kJ/m2 השפעת חריץ צ'ארפי) מבלי להקריב מוליכות תרמית או צפיפות.
CoolPoly TCP מספק גמישות בתכנון הסעה ויכול לעמוד בדרישות העברת החום של יישומים רבים שהשתמשו בעבר באלומיניום.היתרון של הזרקה שלו הוא שיציקות אלומיניום צורכות שליש מהאנרגיה של האלומיניום, וחיי השירות מתארכים בשישה פעמים.
לדברי Matsco מ-Covestro, בתחום הרכב, היישום העיקרי הוא החלפת רדיאטורים במודולים של פנסים ראשיים, מודולים של פנסי ערפל ומודולים של פנסים אחוריים.גופי חום עבור פונקציות אלומה גבוהה ואורות נמוכה LED, צינורות ומובילי אור LED, תאורת יום (DRL) ואורות איתות הם כולם יישומים פוטנציאליים.
מטסקו ציין: "אחד הכוחות המניעים העיקריים של מחשב תרמי מקרולון הוא היכולת לשלב ישירות את פונקציית גוף הקירור ברכיבי התאורה (כגון מחזירי אור, מסגרת וביתים), אשר מושגת על ידי הזרקה מרובה או שתיים. שיטות רכיבים."דרך הרפלקטור והמסגרת העשויים בדרך כלל מ-PC, ניתן לראות את ההדבקה המשופרת כאשר המחשב המוליך תרמית יצוק עליו מחדש כדי לשלוט בחום, ובכך להפחית את הצורך בתיקון ברגים או דבקים.דרש.זה מפחית את מספר החלקים, פעולות העזר והעלויות הכוללות ברמת המערכת.בנוסף, בתחום הרכב החשמלי אנו רואים הזדמנויות בניהול התרמי ובמבנה התמיכה של מודולי הסוללה".
גם נעמני-גולדמן (נעמני-גולדמן) של BASF קבעה ברכבים חשמליים שרכיבי מארז סוללות כמו מפרידי מצברים מבטיחים מאוד."סוללות ליתיום-יון מייצרות הרבה חום, אבל הן צריכות להיות בסביבה קבועה של בערך 65 מעלות צלזיוס, אחרת הן יתכלו או ייכשלו."
בתחילה, תרכובות פלסטיק מוליכות תרמית היו מבוססות על שרפים הנדסיים מתקדמים.אבל בשנים האחרונות, שרפים הנדסיים אצווה כמו ניילון 6 ו-66, PC ו-PBT מילאו תפקיד גדול.מאטסקו של קובסטרו אמר: "כל זה נמצא בטבע.עם זאת, מטעמי עלות, נראה שהשוק מתרכז בעיקר בניילון ופוליקרבונט".
Scheepens אמר שלמרות שעדיין נעשה שימוש ב-PPS לעתים קרובות מאוד, הניילון 6 ו-66 וה-PBT של PolyOne עלו.
RTP קבע כי ניילון, PPS, PBT, PC ו-PP הם השרפים הפופולריים ביותר, אך בהתאם לאתגר היישום, ניתן להשתמש בתרמופלסטיות רבות עם ביצועים גבוהים יותר כגון PEI, PEEK ו-PPSU.מקור RTP אמר: "לדוגמה, גוף הקירור של מנורת LED יכול להיות עשוי מחומר מרוכב ניילון 66 כדי לספק מוליכות תרמית של עד 35 W/mK.עבור סוללות כירורגיות שצריכות לעמוד בסטריליזציה תכופה, נדרש PPSU.תכונות בידוד חשמלי והפחתת הצטברות לחות."
נעמני-גולדמן אמרה כי ל-BASF יש מספר תרכובות מוליכות תרמית מסחריות, כולל דרגות ניילון 6 ו-66."השימוש בחומרים שלנו הוכנס לייצור במגוון יישומים כמו בתי מנוע ותשתיות חשמל.ככל שאנו ממשיכים לקבוע את צרכי הלקוח עבור מוליכות תרמית, זהו תחום פעיל של פיתוח.לקוחות רבים אינם יודעים איזו רמה הם צריכים מוליכות, ולכן החומרים חייבים להיות מותאמים ליישומים ספציפיים כדי להיות יעילים."
DSM Engineering Plastics השיקה לאחרונה את Xytron G4080HR, PPS מחוזק ב-40% סיבי זכוכית המייעל את הביצועים של מערכות ניהול תרמיות לרכב חשמלי.הוא מתוכנן עם תכונות הזדקנות תרמית, עמידות להידרוליזה, יציבות ממדית, עמידות כימית בטמפרטורות גבוהות ועיכוב בעירה אינהרנטי.
על פי דיווחים, חומר זה יכול לשמור על חוזק של 6000 עד 10,000 שעות בטמפרטורת עבודה רציפה העולה על 130 מעלות צלזיוס.בבדיקה האחרונה של 3000 שעות 135°C מים/נוזל גליקול, חוזק המתיחה של Xytron G4080HR עלה ב-114% וההתארכות בשבירה גדלה ב-63% בהשוואה למוצר המקביל.
RTP קבע כי על פי דרישות היישום, ניתן להשתמש בכל אחד ממגוון התוספים לשיפור מוליכות תרמית, וציין: "התוספים הפופולריים ביותר ממשיכים להיות תוספים כגון גרפיט, אך בדקנו אפשרויות חדשות כגון גרפן או גרפן. תוספים קרמיים חדשים..מערכת."
דוגמה של האחרון יזמה בשנה שעברה על ידי Martinswerk Div ​​של Huber Engineered Polymers.על פי דיווחים, בהתבסס על אלומינה, ועבור מגמות הגירה חדשות (כגון חשמול), הביצועים של תוספים מסדרת Martoxid טובים יותר מאלומינה וחומרי מילוי מוליכים אחרים.מרטוקסיד משופר על ידי שליטה בחלוקת גודל החלקיקים ובמורפולוגיה כדי לספק אריזה וצפיפות משופרים וטיפול משטח ייחודי.על פי דיווחים, ניתן להשתמש בו בכמות מילוי העולה על 60% מבלי להשפיע על התכונות המכניות או הראוולוגיות.זה מראה פוטנציאל מצוין ב-PP, TPO, ניילון 6 ו-66, ABS, PC ו-LSR.
Matsco של Covestro אמר כי גם גרפיט וגם גרפן היו בשימוש נרחב, והצביע על כך שלגרפיט יש עלות נמוכה יחסית ומוליכות תרמית מתונה, בעוד שלגרפן בדרך כלל עולה יותר, אבל יש לו יתרונות מוליכות תרמית ברורים.הוא הוסיף: "לעתים קרובות יש צורך בחומרים מוליכים תרמית, בידוד חשמלי (TC/EI), וכאן נפוצים תוספים כגון בורון ניטריד.לצערי, אתה לא מקבל כלום.במקרה זה, בורון ניטריד מספק את הבידוד החשמלי משופר, אך המוליכות התרמית מופחתת.יתרה מכך, העלות של בורון ניטריד עשויה להיות גבוהה מאוד, ולכן TC/EI חייב להפוך לביצועים חומריים שצריכים בדחיפות להוכיח עליית עלויות.
נעמני-גולדמן מבית BASF מנסחת זאת כך: "האתגר הוא למצוא איזון בין מוליכות תרמית לדרישות אחרות;להבטיח שניתן לעבד חומרים ביעילות בכמויות גדולות ושהתכונות המכניות לא ירדו יותר מדי.אתגר נוסף הוא ליצור מערכת שניתן לאמץ אותה באופן נרחב.פתרון חסכוני".
Scheepens של PolyOne מאמינה שגם חומרי מילוי על בסיס פחמן (גרפיט) ​​וגם חומרי מילוי קרמיים הם תוספים מבטיחים שצפויים להשיג את המוליכות התרמית הנדרשת ולאזן תכונות חשמליות ומכאניות אחרות.
מילר של Celanese אמר כי החברה בחנה מגוון תוספים המשלבים את המבחר הרחב ביותר בתעשייה של שרפי בסיס משולבים אנכית כדי לספק מרכיבים קנייניים המייצרים מוליכות תרמית. הטווח הוא 0.4-40 W/mK.
נראה שגם הדרישה לתרכובות מוליכות רב תכליתיות כמו מוליכות תרמית וחשמלית או מעכבי בעירה תרמית עולה.
Matsco מ-Covestro ציין שכאשר החברה השיקה את ה-Macrolon TC8030 ו-TC8060 PC המוליכים תרמית, הלקוחות החלו מיד לשאול האם ניתן להפוך אותם לחומרי בידוד חשמליים."הפתרון לא כל כך פשוט.לכל מה שנעשה כדי לשפר EI תהיה השפעה שלילית על TC.כעת, אנו מציעים את Makrolon TC110 פוליקרבונט ומפתחים פתרונות אחרים כדי לעמוד בדרישות הללו".
נעמני-גולדמן מבית BASF אמרה כי יישומים שונים דורשים מוליכות תרמית ומאפיינים אחרים, כגון ערכות סוללות ומחברי מתח גבוה, שכולם זקוקים לפיזור חום וחייבים לעמוד בתקנים מחמירים של מעכב בעירה בעת שימוש בסוללות ליתיום-יון.
PolyOne, RTP ו-Celanese ראו כולן ביקוש עצום לתרכובות רב תכליתיות מכל פלחי השוק, ומספקות מוליכות תרמית ומיגון EMI, השפעה גבוהה יותר, עיכוב בעירה, בידוד חשמלי ותרכובות עם פונקציות כמו עמידות UV ויציבות תרמית.
טכניקות דפוס מסורתיות אינן יעילות עבור חומרים בטמפרטורה גבוהה.מעצבים צריכים להבין תנאים ופרמטרים מסוימים כדי לפתור את הבעיות הנגרמות לפעמים על ידי הזרקה בטמפרטורה גבוהה.
מחקר חדש מראה כיצד סוג וכמות ה-LDPE המעורבבים עם LLDPE משפיעים על יכולת העיבוד וחוזק/קשיחות הסרט המנופח.נתונים מוצגים עבור תערובות עשירות ב-LDPE ועתירות ב-LLDPE.