ما هي أنواع مواد الحشو الموصلة للحرارة وتطبيقاتها؟

الموصلية الحرارية للمطاط

المطاط موصل ضعيف للحرارة، ولكن من الضروري أن يكون له موصلية حرارية معينة لتلبية متطلبات الاستخدام في التطبيق العملي. يتم استخدام منتجات المطاط ذات الموصلية الحرارية على نطاق واسع، وتحسين الموصلية الحرارية له تأثير كبير على أداء منتجات المطاط. على سبيل المثال، عند ارتفاع درجة حرارة المادة المطاطية المستخدمة في المكونات العازلة والموصلة للحرارة للمكونات الإلكترونية لكل 2 ℃، قد تنخفض موثوقيتها بنسبة 10%. ولذلك، يمكن للمركبات المطاطية ذات الموصلية الحرارية العالية أن تنقل الحرارة بشكل فعال، وهو أمر ذو أهمية كبيرة لتكثيف وتصغير وتحسين موثوقية المنتجات الإلكترونية.

بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تتمتع المواد المطاطية المستخدمة في الإطارات بخصائص توليد الحرارة المنخفضة والتوصيل الحراري العالي. من ناحية، يمكنها تحسين أداء نقل الحرارة للمطاط، وزيادة كفاءة الفلكنة وتقليل استهلاك الطاقة؛ ومن ناحية أخرى، يمكن أن تساعد الموصلية الحرارية العالية في الوقت المناسب على استخلاص الحرارة المتولدة من الإطار في عملية القيادة بسرعة عالية، وتقليل درجة حرارة جسم الإطار، وذلك لتقليل تدهور الأداء الناجم عن درجة الحرارة الزائدة.

عندما تسير السيارة بسرعة عالية، ستزداد حرارة الاحتكاك وحرارة التشوه بشكل كبير مع زيادة سرعة العجلة. إذا لم يتم تحرير الحرارة بسرعة كافية، فسوف يتسبب ذلك في ارتفاع درجة حرارة الإطار وارتفاع ضغط الهواء داخل الإطار وفقًا لذلك، مما قد يؤدي إلى تسريع تقادم المطاط والتسبب في انفجار الإطارات، مما يؤدي إلى وقوع حوادث.

الآلية الحرارية للمطاط الحراري

ينقسم المطاط الحراري إلى مطاط حراري جوهري ومطاط حراري مملوء. إن عملية تركيب المطاط الموصّل الحراري الجوهري معقدة ومكلفة، في حين أن سعر المطاط المملوء بالمطاط الموصّل الحراري منخفض وسهل المعالجة. ولذلك، يتم تحضير مطاط التوصيل الحراري عمومًا عن طريق ملء حشو المطاط المملوء بموصلية حرارية عالية. وتعتمد الموصلية الحرارية للمطاط الموصّل الحراري المملوء بشكل أساسي على الركيزة المطاطية والحشو الموصل حراريًا والوصلة المشتركة بينهما.

يعتبر حشو الموصلية الحرارية هو الناقل الرئيسي للتوصيل الحراري، وتكون الموصلية الحرارية الخاصة به أكبر بكثير من مادة المصفوفة سواء في شكل جسيمات أو ألياف. عندما تكون الموصلية الحرارية للحشو صغيرة، يمكن أن يكون الحشو مشتتًا بالتساوي في النظام، ومع ذلك، لم يتم تشكيل أي اتصال وتفاعل بينهما. في هذا الوقت، لم تكن مساهمة الحشو في التوصيل الحراري للنظام بأكمله كبيرة. ومع ذلك، عندما تصل كمية الحشو إلى نقطة حرجة، تبدأ الحشوات في التلامس والتفاعل مع بعضها البعض، مما يشكل بنية مشابهة لسلسلة وشبكة في النظام، والتي تسمى سلسلة شبكة التوصيل الحراري. عندما يكون اتجاه سلسلة شبكة شبكة التوصيل الحراري موازيًا لاتجاه تدفق الحرارة، سيتم تحسين التوصيل الحراري للنظام إلى حد كبير.

أنواع الحشو الموصل للحرارة

وفقًا للخصائص الكهربائية للمواد المطاطية، يمكن تصنيفها إلى نوع عازل ونوع غير عازل. يستخدم المطاط العازل الحراري بشكل رئيسي في الفضاء، والأسلحة، والمعدات المستخدمة في أنبوب الطاقة، والكتلة المتكاملة، والأنابيب الحرارية وغيرها من المعدات، وكذلك الإلكترونيات الدقيقة، ومعدات الاتصالات، والمحركات، والمعدات الكهربائية تحتاج إلى أجزاء العزل الحراري العازلة. الحشوات العازلة الحرارية الرئيسية المستخدمة هي النيتريدات والكربيدات وأكاسيد المعادن.

يستخدم المطاط الحراري غير العازل بشكل رئيسي في مجالات المبادل الحراري، وسخان المياه بالطاقة الشمسية، ومبرد البطارية، وما إلى ذلك، مثل الإنتاج الكيميائي ومعالجة مياه الصرف الصحي. الحشوات الشائعة الاستخدام هي مسحوق المعادن وألياف الكربون والجرافيت وأسود الكربون، إلخ.

إذن أكثر منتجات المطاط شيوعًا - الإطارات، هل هي مواد مطاطية عازلة أم غير عازلة؟ والإجابة هي أن إطارات الشاحنات معزولة، في حين أن إطارات الطائرات تحتاج إلى توصيل الكهرباء. أثناء الطيران، ستنتج الطائرة كمية كبيرة من الشحنة الكهربائية الملتصقة بجسم الطائرة عن طريق الاحتكاك مع الغلاف الجوي. تحتوي الطائرات على فرشاة تفريغ لتفريغ الكهرباء الساكنة، لكنها لا تستطيع ضمان التفريغ الكامل بحيث يتسبب التفريغ الكهربائي الساكن عند خروج الركاب من الطائرة، وهو أمر خطير للغاية. إذا كانت إطارات الطائرة موصلة للكهرباء، فيمكنها زيادة إطلاق كمية كبيرة من الكهرباء الساكنة المتراكمة أثناء الرحلة، وبالتالي تقليل الحوادث.

الحشوات الموصلة حرارياً لـ "المطاط العازل الموصّل حرارياً"

* حشوة النيتريد والكربيدات

تشمل النيتريدات والكربيدات ذات العزل الجيد والتوصيل الحراري العالي بشكل أساسي نيتريد الألومنيوم ونتريد البورون ونتريد السيليكون وكربيد السيليكون وكربيد البورون وكربيد التيتانيوم. عن طريق ملء هذه الحشوات الخزفية غير العضوية في مصفوفة المطاط، يمكن تحضير المطاط العازل الموصل للحرارة بخصائص شاملة جيدة.

* حشو أكسيد المعادن

تتمتع أكاسيد المعادن مثل أكسيد البريليوم وأكسيد الألومنيوم وأكسيد المغنيسيوم وأكسيد السيليكون بموصلية حرارية عالية نسبيًا، والتي يمكن حشوها في المطاط لإعطائه توصيلًا حراريًا وعزلًا حراريًا، وجعلها ذات خصائص فيزيائية وميكانيكية جيدة.

على سبيل المثال، يمكن استخدام مطاط السيليكون المملوء بالألومينا لصنع طبقة التوصيل الحراري للمكونات الإلكترونية. عندما تكون كمية الألومينا ثلاثة أضعاف كمية مطاط السيليكون، يمكن أن تصل الموصلية الحرارية للمادة إلى 2.72 واط/(م-ك).

* الحشو المركب

في بعض الأحيان، لا يمكن أن يلبي استخدام حشو واحد احتياجات التطبيق، فمن الضروري استخدام الحشو المركب. على سبيل المثال، عندما يتم ملء مطاط السيليكون بمسحوق السيليكا المكرر وأسود الكربون مع موصلية حرارية أكبر من 15 وات/(م-ك)، يمكن صنع مطاط مركب عازل حراري مع معامل توصيل حراري أكبر من 0.4 وات/(م-ك) ومقاومة أكبر من 1012Ω-سم.

حشوات موصلة حرارياً " للمطاط غير العازل غير الموصل حرارياً"

* تعبئة مسحوق معدني

لا يمكن أن يؤدي حشو مسحوق الألومنيوم في المطاط إلى تحسين التوصيل الحراري للمطاط بشكل كبير فحسب، بل يمكن أيضًا إنتاج منتجات مطاطية ذات أداء شامل ممتاز. يمكن تحضير مطاط السيليكون ذي الموصلية الحرارية v-0 (UL 94) و1.09 واط/(م-ك) بإضافة مسحوق الألومنيوم المعدني ومسحوق هيدروكسيد الألومنيوم المعالج بحمض دهني.

* حشو أسود الكربون والجرافيت وألياف الكربون

يتميز كل من أسود الكربون والجرافيت بتوصيل حراري عالٍ، وبعض ألياف الكربون لها توصيل حراري يصل إلى 1200 واط/(م-ك)، لذا يمكن حشوها في المطاط لإنتاج مطاط غير عازل للحرارة.

* الحشو المركب

ستتغير الموصلية الحرارية للمطاط عند إضافة تيتانات الباريوم إلى مطاط البوتيل المملوء بـ 50 جزءًا من أسود المصباح. عندما تمت إضافة 20 جزءًا من مساحيق تيتانات الباريوم ، وصلت الموصلية الحرارية لمطاط البوتيل إلى الحد الأقصى. يمكن أيضًا تحضير مواد مطاطية ذات خصائص مثبطات اللهب والتوصيل الحراري عن طريق ملء مسحوق الفضة ونتريد البورون ومثبطات اللهب القائمة على البلاتين. عند نسبة معينة، يمكن أن يكون للمادة موصلية حرارية تبلغ 14 واط/(م-ك) ودرجة مثبطات اللهب v-1 (UL 94).

وبوجه عام، تكون الموصلية الحرارية للمصفوفة المطاطية صغيرة، والتي لها تأثير ضئيل على التوصيل الحراري للمواد المركبة. ولذلك، فإن العوامل الرئيسية المؤثرة على التوصيل الحراري هي تنوع وكمية الملء وحجم الجسيمات وشكل حشو الموصلية الحرارية، وكذلك المقاومة الحرارية للواجهة بين المصفوفة والحشو.

- نهاية -

نبذة عن المؤلف

كاثي مونتانيز هي عالمة مشروع في Stanford Advanced Materials (SAM). عملت سابقًا كأستاذة أبحاث في كلية علوم وهندسة المواد بالجامعة، وهي الآن مسؤولة عن اختبار الأداء والتوجيه الفني لمنتجات SAM مثل المعادن المقاومة للحرارة والسيراميك والبوتقات المختبرية وقضبان الطحن، إلخ.