Теплорозсіювальні пластмаси
Рубрикатор
наші новини
Підписка на новини
Які лампи Ви використовуєте для домашнього освітлення?
Теплорозсіювальні пластмаси - виклик алюмінію
Криваткін Олександр
Сакуненко Юрій
Питання охолодження та відведення зайвого тепла були, є і завжди будуть актуальними для забезпечення оптимальних умов роботи всіляких технічних пристроїв (ядерні реактори, ракетні двигуни, лампи розжарювання, комп'ютери тощо). Для пристроїв охолодження зазвичай застосовуються метали та його сплави. Останні результати в області полімерного компаундування дають підстави стверджувати, що до них у найближчому майбутньому можуть приєднатися пластмаси, що теплорозсіюють — полімерні композити з багаторазово збільшеною теплопровідністю.
Трохи теплофізики
Щоб охолодити будь-який пристрій, що виділяє тепло (склянка з гарячою водою, багатоядерний мікропроцесор, обмотка електродвигуна, ствол зброї і т. д.), потрібно послідовно зробити два простих кроки:
- відвести тепло від джерела тепловиділення на деяку відстань;
- віддати (розсіяти) це тепло у навколишнє середовище.
Здатність проводити тепло у твердих тіл істотно різна, пов'язана з їхньою структурою, складом і характеризується коефіцієнтом теплопровідності Вт/м·K.
Розсіювання тепла відбувається на межі повітря/тверде тіло. Закони теплопередачі в режимі так званої природної конвекції такі, що є деяка конкретна межа кількості тепла, яка може бути поглинена з одиниці поверхні, що тепловіддає навколишнім повітрям. Ця кількість тепла не залежить від теплопровідності матеріалу, що віддає тепло (чи то дерево, метал, пластмаса або папір).Для охолодження в цілому це означає, що підвищення коефіцієнта теплопровідності має сенс лише до того моменту, поки кількість тепла, що транспортується через тіло, не досягне значення, яке може бути максимально прийнято (розсіяно) повітрям на останньому, що лімітує етапі.
Згідно з розрахунками, «ефективно» працююча величина коефіцієнта теплопровідності λеф коливається в районі 5–10 Вт/м·K. Подальше його збільшення вже надмірно і призведе до збільшення теплознімання загалом. Цей висновок підтверджується серією експериментів, проведених американською компанією Cool Polymers, де теплове джерело постійної потужності (5 Вт) закріплювалося на пластинах однакового розміру, виготовлених з матеріалів з різною теплопровідністю (рис. 1). За точку відліку бралася пластина із звичайної пластмаси (теплопровідність 0,15 Вт/м·K). Вимірювався максимальний перепад температур, що виникає на пластині за рахунок тепла, що виділяється джерелом.
При більш ніж десятикратному збільшенні теплопровідності від 02 до 20 Вт/м·K перепад температур по пластині знизився в 20 разів, тобто спостерігалося дуже ефективне вирівнювання температурного поля. Однак вже наступне (стократне) збільшення теплопровідності з 2,0 до 200 Вт/м·K (чистий алюміній) призвело лише до незначного зменшення перепаду по поверхні пластини на 2-4 o С. Тим самим було підтверджено, що теплопровідний потенціал алюмінію використовується в режимі природного охолодження у разі лише одну десяту своїх можливостей, яке застосування технічно надмірно. Теплопровідність стандартних пластмас коливається близько 0,1–0,3 Вт/м·K, тобто є не провідниками тепла, а типовими утеплювачами.
Майже стократний розрив між реальною та необхідною для виготовленняохолоджувальних пристроїв λеф теплопровідністю не дозволяв розробникам використовувати загальновизнаний економічний потенціал застосування пластмас у масових технологіях.
Конкуренти алюмінію
Вирішення цієї проблеми стало можливим після розробки та початку промислового випуску так званих теплорозсіювальних полімерних композитів (ТРПК) з теплопровідністю, що в десятки і сотні разів перевершує теплопровідність традиційних пластмас (рис. 2, 3).
Таке різке підвищення теплопровідності ТРПК стало можливим за рахунок підбору спеціальних технологічних добавок, використання наповнювачів з високою теплопровідністю (до 150–250 Вт/м·K), спеціалізованого технологічного обладнання для їх високого та надвисокого наповнення.