Como funcionam os Aditivos de Resfriamento
Tornando os seus materiais mais termicamente condutivos.
Adaptando a condutividade térmica de materiais plásticos com Aditivos de Resfriamento de Nitreto de Boro 3M™
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Os Aditivos de Resfriamento de Nitreto de Boro 3M™ são uma família de materiais cerâmicos avançados usados para melhorar a condutividade térmica em polímeros, mantendo ou aprimorando o isolamento elétrico. Suas propriedades únicas tornam esses aditivos adequados para uma ampla variedade de aplicações elétricas e eletrônicas. Usando os Aditivos de Resfriamento de Nitreto de Boro 3M, a condutividade térmica pode ser adaptada para atender aos requisitos térmicos do seu sistema - harmonizada com critérios de desempenho, como isolamento elétrico alvo, retardamento de chama, propriedades mecânicas e requisitos de custo do composto/sistema.
Nossa experiente equipe global de cientistas de materiais, especialistas de produto e engenheiros de aplicação trabalhará próxima a você para desenvolver formulações e processos que podem ajudá-lo a alcançar níveis otimizados de condutividade térmica e desempenho.
Nossa missão é ajudá-lo a ter sucesso na implementação de novas ideias de produtos ou na otimização de projetos existentes usando os Aditivos de Resfriamento de Nitreto de Boro 3M. Aproveitando a experiência e os insights dessa equipe, você pode entender todo o potencial desses materiais incríveis.
Aplicando a tecnologia
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- Comparando a condutividade térmica de vários aditivos térmicos
- Aumentando a condutividade térmica com os Flocos de Nitreto de Boro 3M™
- Os parâmetros de moldagem por injeção e a condutividade térmica
- Os parâmetros de composição e a condutividade térmica
- Comparando a condutividade térmica de vários Aditivos de Nitreto de Boro
- Usando a solução da 3M para economizar custos ao longo de toda a cadeia de valor
Aplicaciones recomendadas: Acabado de superficies decorativas y restauración
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Existem muitas boas razões pelas quais os plásticos são os materiais favoritos dos designers modernos, incluindo seu custo relativamente baixo; a adequação para produção de alto volume; e a excepcional liberdade de design que eles permitem.
Na área da eletrônica, no entanto, a utilidade de muitos plásticos é limitada. Isso ocorre porque os componentes eletrônicos exigem materiais que possam dissipar o calor de maneira eficaz em um espaço pequeno. Embora os plásticos convencionais não sejam termicamente condutores, a adição de nitreto de boro como material de aditivo resolve facilmente essa deficiência.
Em geral, a condutividade térmica intrínseca de um material de aditivo é determinada por sua composição química e morfologia.
O melhor exemplo é o carbono:
- Modificação hexagonal -> até 165 W/m•K
- Modificação cúbica -> até 2,300 W/m•K
- Grafeno -> até 6,000 W/m•K
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Aditivos de Baixa Relação de Aspecto
A maioria dos aditivos térmicos são isotrópicos e/ou quase esféricos. Grafite e nitreto de boro hexagonal, em contraste, são anisotrópicos em estrutura. Quando aplicada corretamente, esta estrutura pode ser usada para aumentar significativamente a condutividade térmica. O caminho da condução térmica de aditivos redondos ou com baixa relação de aspecto, como alumina, silicato de alumina e outros, é dificultado por estas características:
- Não haver contato entre as partículas
- O polímero se comporta como uma resistência térmica entre as partículas
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Aditivos de Alta Relação de Aspecto
O caminho da condução térmica de cargas anisotrópicas, como grafite e nitreto de boro hexagonal, segue uma rota mais eficiente:
- Mais pontos de contato na mesma carga de aditivo
- A ponte é alcançada com menor carga, levando a uma maior condutividade térmica
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- Medição do Flash a Laser: ASTM E 1461/DIN EN 821
- Martoxid é uma marca registrada da Huber Martinswerk. Silatherm é uma marca registrada da Quarzwerke GmbH
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Melhorando o desempenho térmico com nitreto de boro
O benefício dessa anistropia é demonstrado neste gráfico, que mostra a condutividade no plano (in-plane) de compostos PA6 formulados com nitreto de boro e dois outros materiais de aditivo.
Enquanto os aditivos térmicos convencionais são limitados a < 4 W/m•K de condutividade térmica no plano (in-plane), os Aditivos de Resfriamento de Nitreto de Boro 3M™ podem alcançar > 10 W/m•K no plano (in-plane) e até 4 W/m•K de condutividade térmica através do plano (through-plane).
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Para condutividade térmica no plano (in-plane) de 2 W/mK:
- É necessária uma % de 70 em peso de Silicato de Alumina
- É necessária uma % de 70 em peso de Alumina
- É necessária uma % de 70 em peso do Aditivo de Resfriamento de Nitreto de Boro
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Densidade do Aditivo Termicamente Condutivo
Note também que os Aditivos de Resfriamento de Nitreto de Boro 3M™ têm uma densidade muito menor do que outros aditivos térmicos.
- Uma % em peso mais baixa é necessária para atingir as mesmas condutividades térmicas que os aditivos térmicos alternativos
- Menos conteúdo de aditivo significa menos impacto nas propriedades mecânicas do composto
- Menos aditivo significa que menos peso é adicionado
- As comparações com outros aditivos térmicos devem sempre ser consideradas com base na porcentagem de volume
Aumentando a condutividade térmica de compostos existentes com os Flocos de Aditivo de Resfriamento de Nitreto de Boro 3M™
Os compostos plásticos de hoje geralmente contêm uma variedade de aditivos para ajustar fatores como propriedades mecânicas, retardamento de chama e custo. A condutividade térmica desses compostos existentes pode ser drasticamente aumentada ao introduzir os Flocos de Aditivo de Resfriamento de Nitreto de Boro 3M.
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Hidróxido de Alumínio -
Talco -
Silicato de Alumina -
Wollastonita
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O tamanho, a forma e a condutividade térmica intrínseca de aditivos secundários têm uma forte influência na condutividade térmica dos compostos.
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Usar uma combinação de partículas com geometrias diferentes cria uma rede complexa no polímero. Isso permite melhor percolação, caminho de condutividade térmica aprimorado na direção z e menos interfaces entre o aditivo e o polímero.
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Condutividade térmica em W/m•K, para epóxi preenchido com flocos de nitreto de boroEste primeiro exemplo mostra como a condutividade térmica de uma resina epóxi para encapsulamento contendo aluminossilicato pode ser aumentada pela adição do Aditivo de Resfriamento de Nitreto de Boro 3M™ CFF 500-3.
Em resinas de encapsulamento, o nitreto de boro anisotrópico é geralmente não orientado, mas é distribuído uniformemente na matriz polimérica. Portanto, as condutividades térmicas no plano (in-plane) e através do plano (through-plane) são similares.
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Condutividade térmica em W/m•K, no plano (direção x/y), PA 6 preenchido com flocos de nitreto de boroEste segundo exemplo mostra como a condutividade térmica de um composto PA 6 moldado por injeção pode ser aumentada pela adição de flocos de nitreto de boro.
O PA 6, como a maioria dos materiais termoplásticos, é tradicionalmente moldado por injeção, o que provoca uma orientação/alinhamento do nitreto de boro anisotrópico na matriz polimérica. Portanto, as condutividades térmicas no plano (in-plane) e através do plano (through-plane) são diferentes, e o efeito do aumento no PA 6 moldado por injeção é maior na condutividade térmica no plano (in-plane).
Como a modificação dos parâmetros de moldagem por injeção influencia a condutividade térmica
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Os Flocos de Nitreto de Boro geralmente se orientam paralelamente à direção da injeção devido ao atrito em relação ao molde.
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A orientação na zona intermediária da peça moldada por injeção pode, no entanto, ser influenciada pelo parâmetro de moldagem por injeção.
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Medição do Flash a Laser: ASTM E 1461/DIN EN 821
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A condutividade térmica através do plano (through-plane) pode ser aumentada ainda mais por:
- Redução na temperatura de fusão
- Diminuição da velocidade de injeção
- Diminuição da temperatura do molde
Como a modificação dos parâmetros de composição influencia a condutividade térmica
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Medição do Flash a Laser: ASTM E 1461/DIN EN 821
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A condutividade térmica também pode ser influenciada durante a composição em uma extrusora dupla rosca.
A diminuição da velocidade da rosca, bem como as condições de mistura suave, podem minimizar a quebra do aglomerado e aumentar a condutividade térmica.
Comparando a condutividade térmica de vários Aditivos de Nitreto de Boro
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A seguir, veja um resumo do Projeto BMBF, financiado pelo governo da Alemanha. O projeto é criado para avaliar materiais inovadores para simplificação de processos e sistemas em baterias de íons de lítio.
Os requisitos técnicos do estudo são os seguintes:
- Matrix do polímero: PA 6
- Isolamento elétrico: resistência elétrica (IEC 60093) 1,00E+14 Ohm•m
- Condutividade térmica (DIN 52612-1) de peças finas moldadas por injeção: x / y / z = 4 / 4 / >2 W/m•K
- Compostos PA6 preenchidos com:
- Tensão de falha (ISO 527-1/-2): 100 MPa
- Alongamento na ruptura (ISO 527-1/-2): 2-2.3%
- Charpy (DIN EN ISO 179−1): 40 KJ/m²
- Custos econômicos com compostos
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O estudo comparou a condutividade térmica das Plaquetas e Flocos de Nitreto de Boro 3M™. Conforme mostrado neste gráfico, os flocos de nitreto de boro aumentaram a condutividade térmica através do plano (through-plane) por um fator de 2,5.
Por que a diferença? Primeiro, é importante entender que a condução térmica ocorre através das partículas de nitreto de boro. Qualquer ponto de contato é um resistor térmico. Aumentar o tamanho da partícula reduz o número de pontos de contato.
Como a ilustração abaixo demonstra, um floco de 500 μm tem muito menos pontos de interrupção do que plaquetas de 3 μm com as mesmas cargas de aditivo – dando ao calor um caminho mais direto para escapar (indicado pelas linhas vermelhas). Como resultado, a condutividade térmica é maior com partículas maiores.
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Partículas de Tamanho Pequeno (Plaquetas) -
Partículas de Tamanho Maior (Flocos)
Usando os Aditivos de Resfriamento de Nitreto de Boro 3M™ para economizar custos ao longo de toda a cadeia de valor
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Iniciativas recentes na indústria elétrica e de eletrônicos demonstraram que os plásticos que incorporam aditivos de resfriamento de nitreto de boro podem ajudar a economizar custos, melhorar o desempenho do produto e expandir as oportunidades de design.
O exemplo a seguir mostra uma solução para uma nova lanterna LED que reúne TIMs, dissipadores de calor secundários – e até mesmo o refletor – enquanto simplifica a construção geral.
Participantes do projeto
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Desenvolvedor e fabricante de compostos “feitos sob medida”
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Fornecedor de modelagem térmica, design de ferramentas e serviços de moldagem por injeção
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Fabricante de placas de circuito impresso
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Fornecedor de LED
Por ser eletricamente isolante, o composto preenchido com nitreto de boro pode ser diretamente moldado por injeção ao redor da placa de circuito impresso, funcionando tanto como um dissipador de calor como um refletor.
Ao diminuir o número de componentes e permitir a fabricação em uma etapa, os custos totais do sistema foram reduzidos em 30%, em comparação com soluções anteriores que usam carcaças de metal.
Ao mesmo tempo, o excelente gerenciamento de calor prolonga a vida útil do LED.
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Polímero Convencional Não Preenchido -
Polímero Termicamente Condutor
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