ТЕПЛОПРОВОДНЫЕ  ПАСТЫ  ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО  НАЗНАЧЕНИЯ

Шишкин  Роман  Александрович

инженер,  УрФУ,  РФ,  г.  Екатеринбург

E-mail: 

Ерхова  Надежда  Алеaксандровна

студент,  УрФУ,  РФ,  г.  Екатеринбург

E-mail:  nerkhova25@gmail.com

Елагин  Андрей  Александрович

канд.  техн.  наук,  инженер,  УрФУ,  РФ,  г.  Екатеринбург

E-mail:  elaginftf@mail.com

Бекетов  Аскольд  Рафаилович

д-р  техн.  наук,  профессор,  УрФУ,  РФ,  г.  Екатеринбург

E-mail:  nppcomposite@gmail.com

CONDUCTIVE  PASTES  FOR  HIGH  TEMPERATURE  APPLICAITIONS

Shishkin  Roman

engineer,  UrFU,  Russia,  Yekaterinburg

Erhova  Nadezhda

student,  UrFU,  Russia,  Yekaterinburg

Elagin  Andrei

engineer,  Candidate  of  Technical  Sciences,  UrFU,  Russia,  Yekaterinburg

Beketov  Askold

professor,  Doctor  of  Technical  Sciences,  UrFU,  Russia,  Yekaterinburg

АННОТАЦИЯ

Энергоэффективность  светотехники  и  микроэлектроники  играет  важнейшую  роль  в  развитие  техники,  однако,  для  увеличения  мощности  необходимо  более  качественное  охлаждение.  Недостаток  существующих  систем  в  использовании  кремнийорганических  теплопроводных  паст  с  низкой  теплопроводностью,  а  также  значительная  потеря  эксплуатационных  свойств  с  течением  времени.  Вследствие  чего  неорганические  теплопроводные  пасты  могут  быть  эффективным  решением  данной  проблемы.  Был  изучено  влияние  ряда  технологических  параметров  при  создании  неорганических  теплопроводных  паст  на  конечные  теплофизические  характеристики.

ABSTRACT

LED  and  microelectronics  energy  efficiency  plays  significant  role  in  the  technology  development,  however,  to  increase  the  installation  power,  more  efficient  heat  dissipation  system  is  required.  Silicone-based  thermal  pastes  with  low  thermal  conductivity  and  significant  performance  properties  decrease  over  working  hours,  application  is  the  current  systems  disadvantage.  Moreover,  inorganic  binder  enables  high  temperature  applications.  A  number  of  technological  parameters  dependence  on  thermal  physics  properties  was  studied.

Ключевые  слова:  жидкоестекло;  оксидмагния;  теплопроводныепасты;  термопасты.

Keywords:  water  glass;  magnesium  oxide;  thermal  pastes;  thermal  greases.

Стремительное  развитие  областей  светотехники  и  микроэлектроники  в  значительной  степени  связаны  с  увеличением  энергоэффективности.  Таким  образом,  одно  из  оптимальных  решений  —  использование  диодного  освещения,  требующего  качественного  теплорассеяния.

Вследствие  увеличения  мощности  приборов,  более  эффективная  система  охлаждения  является  необходимостью.  Лимитирующее  звено  теплорассеяния  в  охлаждающих  системах  —  кремнийорганические  теплопроводные  пасты,  обладающие  низкой  теплопроводностью  и  в  значительной  мере  теряющие  свои  эксплуатационные  свойства  после  нескольких  месяцев  применения  [5,  c.  16].

Теплопроводные  пасты  также  востребованы  в  специальных  высокотемпературных  областях.  Например,  существует  необходимость  обеспечения  теплового  контакта  между  стальной  тепловой  трубой  и  изготовленной  из  С-С  материала  излучающей  пластиной  панели  холодильника  —  излучателя  в  термоэмиссионных  ядерных  установках.  В  данном  случае  возникает  проблема  из-за  существенной  разницы  коэффициента  термического  расширения  конструкционных  материалов.  Очевидно,  что  термопаста  может  являться  приемлемым  решением  данной  проблемы  [3,  c.  1]  [1,  c.  1].  Стоит  отметить,  что  рабочие  температуры  данной  установки  значительно  превышает  максимальные  рабочие  температуры  кремнийорганических  термопаст.  Жидкометаллические  пасты  не  могут  быть  использованы  вследствие  высокой  электропроводимости  и  невысокой  устойчивости  к  окислению.

Натриевое  жидкое  стекло,  предложенное  в  качестве  связующего,  удовлетворяет  большинству  требований.  Достаточная  теплопроводность  (0,57  Вт/(м·К),  что  почти  в  5  раз  выше,  чем  у  кремнийорганики),  высокая  стойкость  к  радиационным  и  коррозионным  воздействиям.  Более  того,  жидкое  стекло  обладает  невысокой  плотностью  (1,42  г/см³),  что  облегчает  процесс  введения  наполнителя.  Экономически  использование  жидкостекольного  связующего  более  рентабельно,  что  также  важно  учитывать  [4,  c.  13].

Критериями  выбора  наполнителя  служили:  достаточное  электросопротивление  и  теплопроводность,  а  также  коррозионная  (химическая)  стойкость  по  отношению  к  выбранному  связующему.  Принимая  во  внимание,  что  жидкое  стекло  содержит  до  60  %  воды,  материал  наполнителя  не  должен  с  ней  взаимодействовать.  Стоит  также  добавить,  что  плотность  наполнителя  является  одним  из  ключевых  факторов  отбора,  поскольку  вес  установок  и  приборов  играет  немаловажную  роль.

Опираясь  на  эти  требования  и  учитывая  экономический  фактор,  в  качестве  наполнителя  был  выбран  оксид  магния.

Стоит  отметить,  что  полученные  термопасты  при  засыхании  обладают  достаточно  высокой  пористостью  40—46  %,  которая  обусловлена  высоким  содержанием  воды  в  связующем,  которая  испаряясь,  оставляет  поры.  Размер  образующихся  пор  зависит  от  многих  факторов,  таких  как  температура  сушки,  характеристики  исходных  материалов  и  технологии  приготовления.

Теплопроводность  материалов  определялась  методом  лазерной  вспышки. 

Для  измерения  теплопроводности  при  повышенных  температурах  был  рассчитан  коэффициент  термического  расширения  материала  по  методу  Киннгери  [2,  c.  2].

ρ(теор)  =  2,429,05  г  /  см  ³

γ  (теор)  =  7,594*10^-6  С^-1.

Измерения  проводились  при  температуре  Т  =  25  °С.  Результаты  измерений  приведены  в  таблице  1.

Таблица  1.

Зависимость  теплопроводности  от  степени  наполнения

Анализируя  полученные  зависимости,  можно  сделать  вывод  о  том,  что  максимальная  теплопроводность  композиции  достигается  при  степени  наполнения  35  объёмных  %,  дальнейшее  увеличение  содержания  наполнителя  не  влечёт  за  собой  рост  коэффициента  теплопроводности,  вследствие  неизбежной  пористости  не  менее  30—40  %.

Теоретически  введение  более  теплопроводного  материала  приведёт  к  увеличению  теплопроводности  системы.  В  качестве  модифицирующей  добавки  был  выбран  нитрид  бора,  вследствие  его  высоких  теплофизических  характеристик:  коэффициент  теплопроводности  может  достигать  значения  180  Вт/(м·К)  [6,  c.  1].  Результаты  измерений  представлены  в  таблице  2.

Таблица  2.

Зависимость  теплопроводности  от  объёмной  доли  модификатора

Введением  модифицирующей  добавки  удалось  добиться  незначительного  снижения  пористости,  вместе  с  тем  наблюдалось  уменьшение  теплопроводности.  Образцы,  содержащие  только  нитрид  бора  изменили  цвет  и  наблюдалась  значительная  усадка.  После  прокаливания  на  образцах  появлялся  стеклянный  блеск,  напоминающий  глазурь.  Наблюдалась  сильная  усадка  образцов  и  высокая  пористость.

По  результатам  наблюдений  можно  предположить,  что  в  процессе  приготовления  нитрид  бора  частично  окисляется  до  аморфного  оксида,  имеющего  низкое  значение  коэффициента  теплопроводности  λ  =  0,51  Вт/(м·К)  [7,  c.  2],  что  объясняет  высокую  пористость  (за  счёт  газообразования  в  процессе  окисления)  и  согласуется  с  полученными  значениями  теплопроводности.  Опираясь  на  экспериментальные  данные  можно  заключить,  что  пористость  системы  была  снижена  за  счёт  введения  модифицирующей  более  дисперсной  добавки.  Однако,  модификатор  не  должен  окисляться  до  600—800  °С  включительно,  не  взаимодействовать  с  водой,  не  возгоняться,  обладать  высокой  теплопроводностью  и  низким  значением  коэффициента  термического  расширения.

Также  следует  обратить  внимание,  что  при  нагреве  застывшей  теплопроводной  пасты,  вследствие  различия  коэффициентов  термического  расширения  оксида  магния  и  силиката  натрия  будет  наблюдаться  уменьшение  пор,  вследствие  чего  при  достижении  определённого  порога  (508  °С)  площадь  теплопередачи  значительно  увеличится  и  теплопроводность  материала  скачкообразно  увеличится.  Предположение  о  разрушении  материала,  вследствие  термических  напряжений  при  более  высоких  температурах  оказалось  неверно.  За  счёт  высокой  пористости,  разность  в  КТР  материалов  компенсируется  и  теплопроводные  пасты  выдерживают  более  10  термоциклиров  до  температур  1000—1050  °С.

Свойства  полученных  термопаст,  позволяют  применить  их  повсеместно  в  светодиодной  технике,  микроэлектроники  и  специальных  высокотемпературных  областях.  Но  стоит  отметить,  что  для  устранения  эффекта  старения  в  жидких  стёклах,  применяемых  при  низких  температурах,  необходимым  является  стабилизатор,  например,  карбамид.  В  то  время,  как  при  высокотемпературных  применениях,  наблюдается  термостабилизация.

Работа  выполнена  при  финансовой  поддержке  УрФУ  в  рамках  реализации  Программы  развития  УрФУ  для  победителей  конкурса  «Молодые  ученые  УрФУ».

Список  литературы:

1. Гладуш  Ю.  Теплопроводные  материалы  в  электронных  модулях  //  Компоненты  и  технологии.  —  2008.  —  №  80.  —  С.  174—175.
2. Дудеров  Ю.Г.,  Дудеров  И.Г.  Расчеты  по  технологии  керамики:  Справочное  пособие.  М.  Стройиздат,  1973.  —  80  с.
3. Елагин  А.А.  Обзор  теплопроводных  материалов  и  термопаст  на  их  основе  //  Вестник  Казанского  технологического  университета.  —  2013.  —  №  4.  —  С.  132—137.
4. Корнеев  В.И.,  Данилов  В.В.  Жидкое  и  растворимое  стекло.  Производственное  издание.  СПб.:  Стройиздат,  1996.  —  164  с.
5. Панова  Н.Г.  Наполнители  для  полимерных  композиционных  материалов:  справочное  пособие.  М.:  Химия,  1981.  —  736  с. 
6. Chung  D.D.L.  Materials  for  thermal  conduction  //  Applied  thermal  engineering,  —  2001  —  vol.  21.  —  Issue  16.  —  p.  1593—1605.
7. Nillson  O.,  Sandberg  O.,  Backstrom  G.  Thermal  conductivity  of  B₂O₃-glass  under  pressure  //  International  Journal  of  thermophysics,  —  1985  —  vol.  6  —  Issue  3  —  p.  267—273.