Технологии

Последние результаты в области полимерного компаундирования дают основания утверждать, что к ним в ближайшем будущем могут присоединиться теплорассеивающие пластмассы — полимерные композиты с многократно увеличенной теплопроводностью.

Чтобы охладить любое, выделяющее тепло устройство, вначале необходимо отвести это тепло от него на некоторое расстояние, а затем отдать (рассеять) в окру-жающей среде (как правило, это воздух).

Способность проводить тепло разных веществ существенно отлична. А вот заключительная стадия охлаждения — поглощение тепла воздухом — практически не зависит от материала, на поверхности которого происходит теплообмен, а определяется параметрами охлаждающего воздуха. Другими словами, имеется некоторый лимит количества тепла, которое может быть поглощено окружающим воздухом с единицы теплоотдающей поверхности. Для процесса охлаждения в целом это означает, что повышение коэффициента теплопроводности теплоотдающего тела имеет смысл лишь до того момента, пока количество транспортируемого через него тепла не достигнет значения, которое может быть максимально принято окружающим воздухом.

Согласно расчетам, «эффективно» работающая величина коэффициента теплопроводности теплоотдающего материала λ эф колеблется в районе 5—10 Вт/м K. Дальнейшее его увеличение уже избыточно и не приведет к увеличению теплосъема в целом. Этот вывод подтверждается серией экспериментов (CoolPolymers), в которых тепловой источник постоянной мощности (5 вт) закреплялся на пластинах одинакового размера, изготовленных из материалов с разной теплопроводностью.

Измерялся максимальный перепад температур, возникающий на пластине за счет выделяемого источником тепла. Эта величина обратно пропорциональна количеству отдаваемого через пластину тепа. За точку отсчета бралась пластина из обычной пластмассы (теплопроводность 0,15 Вт/м K). При более чем десятикратном увеличении теплопроводности от 0,2 до 2,0 Вт/м K перепад температур по пластине снизился в 20 раз, т.е. наблюдалось очень эффективное выравнивание температурного поля. Однако уже следующее (стократное (!) увеличение теплопроводности с 2,0 до 200 Вт/м K (чистый алюминий) привело лишь к незначительному уменьшению перепада по поверхности пластины на 2—4°С. Тем самым было подтверждено, что теплопроводящий потенциал алюминия использовался в режиме естественного охлаждения в лучшем случае лишь на одну десятую своих возможностей, а его применение является технически избыточным.

Факт существования конкретной границы для предельных значений λ эф имеет для весьма важное практическое следствие — для устройств естественного охлаждения нецелесообразно использование материалов с теплопроводностью выше 5—10 Вт/м. Это положение позволило принципиально по-новому взглянуть на перспективы применения полимерных материалов в охлаждающих устройствах, сформулировать рамочные требования, которым должны соответствовать эти материалы, чтобы успешно конкурировать с металлами, традиционно используе-мыми для этих целей.

Почти стократный разрыв между реальной и требуемой λ эф теплопроводностью для изготовления охлаждающих устройств не позволял разработчикам использовать общепризнанный экономический потенциал применения пластмасс в массовых технологиях.

Для тиражируемых в миллионных количествах современных телефонах, компь-ютерах, светильниках и других потребительских приборах и микроэлектронных устройств (МЭУ) отсутствие такой возможности было наиболее ощутимым. Именно пластмассовые корпуса, монтажные платы и другие детали из пластмасс являются в них интегрирующей средой для взаимодействия радиоэлектронных и других функциональных элементов и потребителя. Массовая доля содержания пластмасс в этих изделиях неуклонно повышается и достигает в некоторых случаях 90—95%. Поэтому понятно было стремление разработчиков попытаться использовать пластмассы и для охлаждения МЭУ.
Решение этой проблемы стало возможным после разработки и начала промыш-ленного выпуска т.н. теплорассеивающих полимерных композитов (ТРПК) с теплопроводностью многократно, в десятки и сотни раз превосходящих теплопроводность традиционных пластмасс. Это стало возможным за счет подбора специальных технологических добавок, использования наполнителей с высокой теплопроводностью (до 150—250 Вт/м K), специализированного технологического оборудования для их высокого и сверхвысокого наполнения.

В зависимости от наполнителя эти композиты могут либо сохранять свои электроизоляционные свойства, либо иметь на 5—10 порядков более низкие поверхностные электрические сопротивления, т.е. одновременно соответствовать требованиям, предъявляемым к антистатическим и электропроводящим пластмассам.

Таблица 1
Производители ТРПК