Welche Arten von wärmeleitenden Füllstoffen und ihre Anwendungen gibt es?

Die Wärmeleitfähigkeit von Gummi

Kautschuk ist ein schlechter Wärmeleiter, muss aber eine gewisse Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um die Anforderungen der praktischen Anwendung zu erfüllen. Gummiprodukte mit Wärmeleitfähigkeit sind weit verbreitet, und die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit hat einen großen Einfluss auf die Leistung von Gummiprodukten. Steigt beispielsweise die Temperatur des Gummimaterials, das für isolierende und wärmeleitende Komponenten von elektronischen Bauteilen verwendet wird, um 2 ℃, kann die Zuverlässigkeit um 10 % sinken. Daher können Gummiverbundstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit Wärme effektiv übertragen, was für die Verdichtung, Miniaturisierung und Verbesserung der Zuverlässigkeit von elektronischen Produkten von großer Bedeutung ist.

Darüber hinaus sollte das in Reifen verwendete Gummimaterial die Eigenschaften einer geringen Wärmeentwicklung und einer hohen Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Einerseits kann es die Wärmeübertragungsleistung des Gummis verbessern, die Vulkanisationseffizienz erhöhen und den Energieverbrauch reduzieren. Andererseits kann die hohe Wärmeleitfähigkeit dazu beitragen, die vom Reifen beim Fahren mit hoher Geschwindigkeit erzeugte Wärme rechtzeitig abzuleiten, die Temperatur des Reifenkörpers zu reduzieren und so die durch übermäßige Temperatur verursachte Leistungsverschlechterung zu verringern.

Wenn das Auto mit hoher Geschwindigkeit fährt, steigt die Reibungs- und Verformungswärme mit zunehmender Raddrehzahl erheblich an. Wenn die Wärme nicht schnell genug abgeführt wird, steigt die Temperatur des Reifens und der Luftdruck im Inneren des Reifens entsprechend an, was die Alterung des Reifens beschleunigen und zur Explosion des Reifens führen kann, was wiederum zu Unfällen führen kann.

Thermischer Mechanismus von Thermogummi

Thermischer Gummi wird in intrinsischen thermischen Gummi und gefüllten thermischen Gummi unterteilt. Der Syntheseprozess von intrinsischem Wärmeleitfähigkeitsgummi ist komplex und kostspielig, während der Preis von gefülltem Wärmeleitfähigkeitsgummi niedrig und einfach zu verarbeiten ist. Daher wird wärmeleitfähiger Kautschuk im Allgemeinen durch Einfüllen eines Füllstoffs mit hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt. Die Wärmeleitfähigkeit des gefüllten wärmeleitenden Kautschuks hängt hauptsächlich vom Kautschuksubstrat, dem wärmeleitenden Füllstoff und ihrer gemeinsamen Schnittstelle ab.

Der wärmeleitende Füllstoff ist der wichtigste Träger der Wärmeleitfähigkeit, seine eigene Wärmeleitfähigkeit ist viel größer als die des Matrixmaterials, ob in Form von Partikeln oder Fasern. Wenn die Wärmeleitfähigkeit des Füllstoffs gering ist, kann der Füllstoff gleichmäßig im System verteilt werden, es entsteht jedoch kein Kontakt und keine Wechselwirkung zwischen ihnen. Zu diesem Zeitpunkt war der Beitrag des Füllstoffs zur Wärmeleitfähigkeit des gesamten Systems nicht signifikant. Erreicht die Füllstoffmenge jedoch einen kritischen Punkt, beginnen die Füllstoffe miteinander in Kontakt zu treten und zu interagieren und bilden eine ketten- und netzwerkartige Struktur im System, die als Wärmeleitnetzwerkkette bezeichnet wird. Wenn die Ausrichtung der Wärmeleitnetzwerkkette parallel zur Wärmestromrichtung verläuft, wird die Wärmeleitfähigkeit des Systems in hohem Maße verbessert.

Arten von wärmeleitenden Füllstoffen

Je nach den elektrischen Eigenschaften der Gummimaterialien kann man sie in isolierende und nicht isolierende Typen einteilen. Wärmedämmungsgummi wird hauptsächlich in der Luft- und Raumfahrt, in Waffen und in Geräten verwendet, die in Energieröhren, integrierten Blöcken, Wärmerohren und anderen Geräten eingesetzt werden, sowie in der Mikroelektronik, in Kommunikationsgeräten, Motoren und elektrischen Geräten, die isolierende Wärmeleitfähigkeitsteile benötigen. Die wichtigsten Füllstoffe für die Wärmedämmung sind Nitride, Karbide und Metalloxide.

Thermisch nicht isolierender Kautschuk wird hauptsächlich in den Bereichen Wärmetauscher, Solar-Wassererhitzer, Batteriekühler usw. sowie in der chemischen Produktion und der Abwasseraufbereitung verwendet. Häufig verwendete Füllstoffe sind vor allem Metallpulver, Kohlenstofffasern, Graphit und Ruß usw.

Handelt es sich bei den gängigsten Gummiprodukten, den Reifen, um isolierende oder nicht isolierende Gummimaterialien? Die Antwort ist, dass Lkw-Reifen isoliert sind, während Flugzeugreifen Strom leiten müssen. Während des Fluges erzeugt das Flugzeug durch die Reibung mit der Atmosphäre eine große Menge an elektrischer Ladung, die am Rumpf haftet. Flugzeuge verfügen über Entladungsbürsten, um statische Elektrizität abzuleiten, aber sie können nicht sicherstellen, dass die elektrostatische Entladung vollständig abgeleitet wird, wenn Passagiere das Flugzeug verlassen, was äußerst gefährlich ist. Wenn die Flugzeugreifen Elektrizität leiten, können sie die Freisetzung einer großen Menge an statischer Elektrizität, die sich während des Fluges angesammelt hat, maximieren und so Unfälle reduzieren.

Wärmeleitende Füllstoffe für "wärmeleitendes Isoliergummi"

* Füllung von Nitriden und Karbiden

Zu den Nitriden und Carbiden mit guter Isolierung und hoher Wärmeleitfähigkeit gehören vor allem Aluminiumnitrid, Bornitrid, Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Borcarbid und Titancarbid. Durch Einfüllen dieser anorganischen keramischen Füllstoffe in die Kautschukmatrix kann ein wärmeleitender Isolierkautschuk mit guten umfassenden Eigenschaften hergestellt werden.

* Füllung mit Metalloxid

Metalloxide wie Berylliumoxid, Aluminiumoxid, Magnesiumoxid und Siliziumoxid haben eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit und können in Gummi gefüllt werden, um ihm Wärmeleitfähigkeit und Isolierung zu verleihen und ihm gute physikalische und mechanische Eigenschaften zu verleihen.

Mit Aluminiumoxid gefüllter Siliziumkautschuk kann beispielsweise zur Herstellung der Wärmeleitschicht von elektronischen Bauteilen verwendet werden. Wenn die Menge an Aluminiumoxid dreimal so hoch ist wie die des Silikongummis, kann die Wärmeleitfähigkeit des Materials 2,72 W/(m-K) erreichen.

* Komposit-Füllstoff

Manchmal kann die Verwendung eines einzelnen Füllstoffs die Anforderungen der Anwendung nicht erfüllen, dann muss ein Verbundfüllstoff verwendet werden. Wenn zum Beispiel Silikonkautschuk mit raffiniertem Siliziumdioxidpulver und Ruß mit einer Wärmeleitfähigkeit von mehr als 15 W/(m-K) gefüllt wird, kann ein wärmeisolierender Verbundkautschuk mit einem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten von mehr als 0,4 W/(m-K) und einem spezifischen Widerstand von mehr als 1012Ω-cm hergestellt werden.

Wärmeleitende Füllstoffe für "Wärmeleitendes nicht isolierendes Gummi"

* Füllung von Metallpulver

Durch das Einfüllen von Aluminiumpulver in Gummi kann nicht nur die Wärmeleitfähigkeit von Gummi erheblich verbessert werden, sondern es können auch Gummiprodukte mit einer hervorragenden Gesamtleistung hergestellt werden. Silikongummi mit einer Wärmeleitfähigkeit von v-0 (UL 94) und 1,09 W/(m-K) kann durch Zugabe von metallischem Aluminiumpulver und mit Stearinsäure behandeltem Aluminiumhydroxidpulver hergestellt werden.

* Füllung aus Ruß, Graphit und Kohlenstofffasern

Ruß und Graphit haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit, und einige Kohlenstofffasern haben eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 1200 W/(m-K), so dass sie in Gummi gefüllt werden können, um thermisch nicht isolierenden Gummi herzustellen.

* Verbundstoff-Füllstoff

Die Wärmeleitfähigkeit von Gummi ändert sich, wenn Bariumtitanat zu dem mit 50 Teilen Lampenruß gefüllten Butylkautschuk hinzugefügt wird. Bei Zugabe von 20 Bariumtitanatpulvern erreichte die Wärmeleitfähigkeit von Butylkautschuk den Höchstwert. Silastische Materialien, die sowohl flammhemmende Eigenschaften als auch Wärmeleitfähigkeit aufweisen, können auch durch die Zugabe von Silberpulver, Bornitrid und Flammschutzmitteln auf Platinbasis hergestellt werden. Bei einem bestimmten Verhältnis kann das Material eine Wärmeleitfähigkeit von 14 W/(m-K) und einen Flammschutzgrad von v-1 (UL 94) aufweisen.

Im Allgemeinen ist die Wärmeleitfähigkeit der Kautschukmatrix gering und hat nur einen geringen Einfluss auf die Wärmeleitfähigkeit von Verbundwerkstoffen. Die wichtigsten Einflussfaktoren auf die Wärmeleitfähigkeit sind daher die Sorte, die Füllmenge, die Partikelgröße und die Form des wärmeleitenden Füllstoffs sowie der Wärmewiderstand der Grenzfläche zwischen Matrix und Füllstoff.

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Über die Autorin

Cathie Montanez ist die Projektwissenschaftlerin bei Stanford Advanced Materials (SAM). Sie war früher Forschungsprofessorin an der School of Materials Science and Engineering der Universität und ist jetzt für die Leistungsprüfung und technische Beratung von SAM-Produkten wie Refraktärmetallen, Keramik, Labortiegeln und Mahlstäben usw. zuständig.