КОМПОЗИЦИОННЫЙ ТЕПЛОПРОВОДЯЩИЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ НАНОЖИДКОСТИ
COMPOSITE HEAT-CONDUCTING MATERIAL BASED ON A NANOFLUID

Изобретение относится к контактному теплообмену и может использоваться в приборостроении для охлаждения мощных полупроводниковых приборов. Цель изобретения - расширение диапазона рабочих температур и увеличение теплопроводности.
Настоящее изобретение относится к области тепловых межфазных материалов. Более конкретно, настоящее изобретение относится к теплопроводным пастам, содержащим смесь синтетического и силиконового масел и смесь теплопроводных наполнителей.
С развитием энергонасыщенных электронных технологий возникает необходимость создания эффективных систем охлаждения и управления большими тепловыми потоками. Один из способов провести интенсификацию теплообмена - улучшить теплофизические характеристики теплоносителя. Этого можно добиться, повысив теплопроводность жидкости путем добавления твердых частиц с высокой теплопроводностью. При этом, наряду с теплопроводностью, изменяются и другие теплофизические свойства жидкости. Важной характеристикой при использовании проточных систем охлаждения является вязкость охлаждающей субстанции.
Особый интерес при создании таких систем представляют наножидкости. Наножидкостью называют двухфазную среду, состоящую из жидкости и равномерно распределенных в ней частиц твердой фазы нанометрового диапазона размеров. Характерной особенностью наножидкостей является значительное изменение теплофизических свойств базовой жидкости даже при небольшой концентрации наночастиц.
Использование наножидкостей в качестве эффективного теплоносителя в настоящее время рассматривается как перспективный метод для создания новых теплоэнергетических установок, установок по транспортировке тепловой энергии, различных микроэлектромеханических систем, тепловых межфазных материалов (МТВ).
Тепловые межфазные материалы играют ключевую роль в решениях управления тепловым режимом в качестве материалов, находящихся между, например, тепловыделяющими компонентами полупроводников, такими как интегральные схемы или транзисторы, и радиаторами, теплоотводами и другими компонентами управления тепловым режимом, для улучшения теплопередачи благодаря заполнению микроскопических воздушных зазоров, существующих по причине не идеально плоских и гладких поверхностей компонентов. МТВ существуют в различных формах, таких как паста, гели, прокладки, материалы с фазовым переходом и припои, и многие из них на основе углерода (полимера). Теплопроводная паста является одним из наиболее важных типов, занимающим наибольшую долю на рынке МТВ. Это обусловлено тем, что по сравнению с другими МТВ, особенно МТВ на полимерной основе, теплопроводная паста часто обладает более эффективной теплопроводностью и меньшим сопротивлением теплопередаче, вследствие того, что ее применяют в особенно узких промежутках между компонентами, например, в так называемых «тонких швах» менее 0,1 миллиметра (мм).
Известны многочисленные зарубежные теплопроводящие композиционные материалы с диэлектрическими свойствами. Можно упомянуть в частности компаунд для герметизациии Sylgard 160 со значением теплопроводности 0,62 Вт/(м*K), Dow Corning 9184 со значением теплопроводности 0,84 Вт/(м*K), компаунд Q3-3600 со значением теплопроводности 0,77 Вт/(м*K), а также различные теплопроводящие пасты, например, Dow Corning 340 со значением теплопроводности 0,68 Вт/(м*K), Dow Corning SC 102 со значением теплопроводности 0,85 Вт/(м*K) и ряд других. Основными недостатками перечисленных материалов являются не всегда достаточный уровень теплопроводности и зарубежное происхождение.
Известны теплопроводящие пасты, смазки, фольга с покрытием, заполняющим неровности поверхности изделия (парафины, воски), материалы на стекловолоконной основе, заполненные силиконовым каучуком производства компании Berquist, а также другие инновационные теплорассеивающие полимерные композиты (журнал «Силовая электроника» №2, 2008, стр. 118-123, журнал «Силовая электроника» №3, 2012, стр. 48-52). К их недостаткам следует отнести: зарубежное происхождение компонентов, ограниченные технологические возможности при применении, несоответствие ряду эксплуатационных требований к отечественным объектам герметизации, а также высокие цены.
Известны компаунды группы КПТД-1/1, выпускаемые фирмой «НОМА-КОН» по ТУ РБ 100009933.004-2001. К ним относятся компаунды 1 Л-1,00; 1 Л-1,50; 1Л-2,50 с хорошими диэлектрическими показателями, но с теплопроводностью не выше 0,50 Вт/(м*K), что в большинстве случаев недостаточно. Кроме того, в таблицах по данным материалам не приводятся сведения по физико-механическим характеристикам, что заставляет сделать предположение об их недостаточно высоких значениях. Несколько лучшей теплопроводностью обладают компаунды КПТД-1/1, отнесенные к разряду «тяжелых». Это компаунды 1Т-5,50; 1Т-8,50; 1Т-12,5. За счет значительного увеличения вязкости в данном случае удается добиться уровня теплопроводности не более 1,00 Вт/(м*K). Но при этом снижается уровень параметров, определяющих технологичность целевого применения компаундов.
Известна теплопроводящая паста, патент SU 919346, в состав которой входит 40,0-60,0 вес. %, глицерина, 38,8-53,0 вес. % алюминиевой пудры и 1,7 вес. % антистатика. Использование в качестве теплопроводящего наполнителя металлического алюминия имеет существенные недостатки. Металлический алюминий в силу высокой химической активности, особенно если учесть его порошкообразное состояние, с течением времени подвержен взаимодействиям не только с сопутствующими компонентами, но и с внешней средой, содержащей химически активные составляющие. Появление поверхностных кислородсодержащих пленок на частицах металлического алюминиевого порошка резко снижает его теплопроводность, что в конечном результате ухудшает результативность данной сопрягающей пасты, применяемой для отвода тепла от теплонапряженного устройства.
Известен патент WO 2013052375, 11.04.2013, согласно которому теплопроводящая паста имеет теплопроводные неорганические включения, 100 частей по весу которых обработаны гидрофобным олефиликом, диаметр частиц неорганического компонента от 10 нм до 100 мкм. В качестве органического связующего используются полисилоксановые соединения, а в качестве неорганического наполнителя - нитрид алюминия.
Недостатком пасты, описанной в вышеуказанном патенте, является то, что частицы нитрида алюминия имеют круглую форму. В этом случае органическое связующее равномерно покрывает частицы нитрида алюминия и исключает прямой контакт в объеме теплопроводящей пасты. Другим недостатком является ограничение по размеру частиц теплопроводного нитрида алюминия до 100 мкм. Получение мелкодисперсных порошков нитрида алюминия, имеющего высокую твердость, представляет собой энергозатратный технологический процесс. Кроме того, длительное измельчение твердого нитрида алюминия сопровождается намолом примесей футеровочного материала мельниц.
Указанные выше недостатки отсутствуют в предлагаемом в качестве патента техническом решении.
Известна паста кремнийорганическая теплопроводящая КПТ-8 (SU 1624565, заявка: 4495406, 18.10.1988, опубликовано: 30.01.1991, автор: Гува Аркадий Яковлевич), содержащая в качестве основы кремнийорганические масла. Данная паста обладает многими требуемыми свойствами, включая устойчивость к химическому воздействию и широкий диапазон рабочих температур. Тем не менее, кремнийорганические масла являются очень дорогостоящими и имеют склонность к физическому перемещению из участка нанесения, что приводит к загрязнению близкорасположенных компонентов. Кроме того, по прошествии длительного времени, кремнийорганическая теплопроводная паста может высыхать, что приводит к растрескиванию и отделению, ухудшающему технические характеристики. Однако, такую пасту можно рассматривать в качестве аналога для термопроводящего состава на основе наножидкости.
В рассматриваемой разработки с целью избежания указанных проблем, в качестве основы была рассмотрена смесь синтетического и силиконового масел.
Известна теплопроводная паста на основе сверхразветвленной олефиновой текучей среды (патент РФ на изобретение №2 672 247 от 08.10.2018 Бюл. №28) в котором предложена композиция эффективной термопасты, содержащая сверхразветвленную олефиновую текучую среду и теплопроводный наполнитель (принятый за прототип), а также способ ее получения.
Композиция данной термопасты, содержит смесь
- сверхразветвленной олефиновой текучей среды на основе этилена или на основе этилена и пропилена, со средним содержанием по меньшей мере 1,5 метановых атомов углерода в молекуле олигомера, и со средним содержанием по меньшей мере 40 метановых атомов углерода на тысячу атомов общего углерода, причем среднее число атомов углерода в молекуле составляет от 25 до 200;
- теплопроводного наполнителя.
Недостатком описанного выше прототипа является неоправданная сложность синтеза олефиновой текучей среды. Кроме того, самой олефиновой текучей среде присущие следующие недостатки: низкая термостойкость, липкость, плохие оптические свойства, морозостойкостью, а также не всегда удачным баланс между этими физическими свойствами. Авторы описанного выше прототипа решают все выявленные недостатки обширным использованием пластификаторов, стабилизаторов, поверхностно-активных веществ. В данном изобретении также используются все вышеописанные вещества, однако их содержание относительно единицы объема существенно ниже, что в представленном прототипе.
Отличительной особенностью настоящего изобретения от его прототипа является то, что вместо олефиновой текучей среды используется смесь синтетического и силиконового масел, а также в качестве теплопроводного наполнителя используется не один компонент, а смесь алмазного порошка, графита, карбида кремния и арсенида бора. По мнению авторов настоящего изобретения, подобная композиция наиболее подходит для решения поставленной задачи.
Задачей настоящего изобретения является расширение диапазона рабочих температур и увеличение теплопроводности, что заключается в создании теплопроводящего компаунда на основе наножидкости, предназначенного для технических изделий и систем, при работе которых требуется осуществлять эффективный отвод избыточной тепловой энергии. Компаунд должен сочетать в себе следующие качественные характеристики:
- оптимальный диапазон рабочих температур для более широкого применения в различных электронных устройствах от -50 до 200 градусов Цельсия;
- теплопроводность 9 Вт/(м⋅К);
3
- плотность 3,5 г/см;
- динамическую вязкость 900 П;
- нормативный срок службы 5 лет.
В результате исследований было определено необходимое количество нанопорошка теплопроводного носителя (порядка 20%±0,07). При этом паста имеет в нормальных условиях вазелиноподобную консистенцию.
При содержании в смеси нанопорошка теплопроводного носителя более 20% ±0,07 паста утрачивает свое вазелиноподобное состояние, приобретает рассыпчатую структуру и становится не пригодной для нанесения.
Содержание нанопорошка теплопроводного носителя менее 20% ±0,07 приводит к тому, что в пасте присутствует избыток жидкой фазы. В результате при организации контакта с приложением механических и тепловых нагрузок паста может частично вытекать из зазоров, что приведет к выходу из строя узла теплопередачи.
Далее, в таблице указаны основные связующие компоненты, процентное содержание относительно единицы объема, а также размер кристаллов частиц теплопроводного носителя.
Указанный размер кристаллов частиц наиболее актуален в виду того, что данный параметр существенно влияет на равномерное заполнение полостей на наносимой поверхности.
Под остальными компонентами (пункт 7 таблицы) подразумеваются различные пластификаторы, стабилизаторы, поверхностно-активные вещества и ингибиторы. Наличие данных компонентов в составе компаунда обусловлено поддержанием достаточно продолжительного, по сравнению с аналогами, нормативного срока службы изделия. Указанного процентного соотношения относительно единицы объема вполне достаточно для осуществления заявленных ранее качественных характеристик.
Толщина слоя, разработанного композиционного теплопроводящего материала колеблется в диапазоне 20-50 мкм. Данный фактор важен тем, что с ростом толщины слоя имеет место пропорциональное увеличение теплового сопротивления. Данная характеристика должна быть минимальной и только такой, чтобы нивелировать микронеровности электронного компонента и подошвы охлаждающего его радиатора.
Способ приготовления: смесь компонентов готовят согласно пропорции указанной выше.
Для приготовления 10 грамм теплопроводящего компаунда на основе наножидкости берут следующие компоненты в количестве:
После приготовления состава по рецептуре, описанной в примере 1, теплопроводящего компаунда на основе наножидкости будет иметь следующие качественные характеристики:
- теплопроводность 7.6 Вт/(м⋅К);
3
- плотность 4.3 г/см;
- динамическая вязкость 810 П.
После приготовления состава по рецептуре, описанной в примере 2, теплопроводящего компаунда на основе наножидкости будет иметь следующие качественные характеристики:
- теплопроводность 8.2 Вт/(м⋅К);
3
- плотность 4.1 г/см;
- динамическая вязкость 780 П.
После приготовления состава по рецептуре, описанной в примере 3, теплопроводящего компаунда на основе наножидкости будет иметь следующие качественные характеристики:
- теплопроводность 8.6 Вт/(м⋅К);
3
- плотность 3.7 г/см;
- динамическая вязкость 830 П.
Возвращаясь к прототипу, следует отметить, что теплопроводность представленного изобретения получилось существенно выше, 9 Вт/(м⋅К), а также, более удачно подобран показатель динамической вязкости. В целом, представленные характеристики больше соответствуют характеристикам продукта, надлежащего к применению в современных электронных устройствах различного уровня сложности.
В результате синтеза, композиционный теплопроводящий материал представляет собой многокомпонентную гетерогенную систему, наполненную мелкодисперсными агломератами частиц, обладающих различной структурой, теплопроводящими свойствами, диэлектрическими и механическими свойствами при определенных количественных соотношениях между компонентами, а также технологическими особенностями их соединения.
Результаты испытаний показывают, что композиционный теплопроводящий материал на основе наножидкости обладает более лучшей теплопроводность и более удачно подобран показатель динамической вязкости, по сравнению с теплопроводной пастой на основе сверхразветвленной олефиновой текучей среды, принятой в качестве прототипа. На основе всего вышеописанного можно сделать вывод, что изобретение соответствует тому, чтобы его использовали для оптимизации процессов теплообмена, происходящие при охлаждении компонентов в электронных устройствах различного уровня сложности.