Исследование теплопроводности композиционных материалов на основе силикона с наполнителями Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 536.2

DOI: 10.17586/0021-3454-2015-58-7-571-575

ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СИЛИКОНА С НАПОЛНИТЕЛЯМИ

В. А. Михеев1, В. Ш. Сулаберидзе1, В. Д. Мушенко2

1 Балтийский государственный технический университет „ВОЕНМЕХ" им. Д. Ф. Устинова,

190005, Санкт-Петербург, Россия E-mail: [email protected] 2ООО „СТОЛП", 195197, Санкт-Петербург, Россия

Рассматриваются особенности теоретического определения эффективной теплопроводности композиционного материала и влияния дисперсности фазы наполнителя на его теплопроводность. Показана эффективность метода конструирования формулы теплопроводности путем инверсии наполнителя и связующего.

Ключевые слова: теплопроводность, композиционные материалы, компаунд, наполнитель, связующее, SiO2, AlN.

Полидиметилсилоксановый каучук (силикон), используемый в качестве связующего, является основой многофункциональных композиционных материалов в радиоэлектронной аппаратуре. Силикон обладает высоким удельным электрическим сопротивлением и служит электрическим изолятором. Наполнение его оксидами или нитридами металлов с высокой теплопроводностью позволяет получать теплопроводящие диэлектрические компаунды.

Данные компаунды используются в качестве заливочных диэлектрических покрытий, обеспечивающих надежную герметизацию, электрическую изоляцию, высокую стойкость к вибрационным и ударным нагрузкам и эффективный теплоотвод от всех компонентов в изделиях тепло-, электро- и радиоэлектронной техники. Этим обусловливается потребность в компаундах, обладающих высокой теплопроводностью с сохранением функциональных характеристик материала, таких как текучесть, прочность, эластичность и высокая адгезия.

В настоящей статье исследуется теплопроводность композиционного материала на основе низкомолекулярного силиконового каучука СКТН марки А, используемого в качестве связующего, и мелкодисперсных порошков SiO2, AlN — в качестве наполнителя. Образцы с различным объемным содержанием SiO2 и AlN изготовлены в ООО „СТОЛП" (Санкт-Петербург). Теплопроводность образцов измерена на установке ИТ-Х-400 в диапазоне температур 25—200 °С. Погрешность измерений, равная ±10 % при доверительной вероятности Р=0,95, определена по результатам калибровки установки на рабочих эталонах теплопроводности и подтверждена повторяемостью результатов, получаемых на одном и том же образце. Однако неоднородность исследуемых образцов влияет на суммарный разброс данных по всем образцам.

Рассматриваемые композиционные материалы представляют собой двухфазную среду с существенно различающимися теплофизическими свойствами фаз. Теплопроводность кристаллических порошков SiO2 и AlN превышает теплопроводность силикона при 20 °С в 40 и 1250 раз соответственно. С увеличением отношения „теплопроводность наполнителя/теплопроводность связующего" для двухфазных композиционных материалов ухудшается сходимость результатов расчетов по известным формулам [1—3] и экспериментальных данных.

Расчет теплопроводности композиционного материала с мелкодисперсным наполнителем затруднен еще и потому, что порошок наполнителя может находиться в связующем в виде агрегатов, состоящих из совокупности кристаллических частиц. Эффективная теплопроводность таких агрегатов значительно ниже теплопроводности кристаллического материала.

Например, коэффициент теплопроводности монокристаллического ЛШ (при 20 °С) равен 275.. .300 Вт/м-К, поликристаллического спеченного ЛШ различной плотности — 70.. .200 Вт/м-К, а эффективная теплопроводность порошка АШ составляет 25.35 Вт/м-К в зависимости от его плотности и влагосодержания [4, 5].

Для расчетов теплопроводности двухфазных материалов с указанными выше наполнителями в ходе исследований были применены следующие формулы: — формула Оделевского [1]:

( Л

Хэф Хсв

1__Онап

1 _ 1 _Онап

V 1 _ Хнап / Хсв 3 J

(1)

— формула Миснара [2]:

( 1 /X

Х эф Хсв

св ' "нап

— формула Бургера [3]:

1 + инап 1 _ 1/3 _ )

V 1 _ Онап (1 _ Хсв ' Хнап ) J

ОсвХсв + С ОнапХнап

(2)

X _ ^св^св 1 ^ ^нап^нап (3)

эф , '

Осв + с инап

где Хсв, Хнап, Хэф — коэффициенты теплопроводности связующего, наполнителя и материала соответственно; исв, инап — объемные доли связующего и наполнителя; коэффициент С в формуле Бургера выбирается исходя из следующих условий: С=1 — гомогенная смесь, С<<1 — изолированная фаза наполнителя, С>1 — непрерывная фаза наполнителя.

Для улучшения сходимости расчетов по формулам (1) и (2) с измеренными значениями коэффициентов теплопроводности двухфазных материалов был предложен метод конструирования формулы эффективной теплопроводности путем инверсии наполнителя и связующего, опробованный, в частности, на системах „кремнийорганический эластомер — порошкообразный минеральный наполнитель" [6]. Этот метод заключается в определении эффективной теплопроводности материала по „формуле инверсии":

Xэф _ а1Х1 + ^^^^ (4)

где — эффективная теплопроводность смеси „порошок (связующее) — силикон (наполнитель)"; Х2 — эффективная теплопроводность смеси „ силикон (связующее) — порошок (наполнитель)"; а1, а2 — эмпирические коэффициенты, подбираемые по правилу нормировки: а1 + а2 = 1; а1 < а2.

Аналогичный подход был применен для анализа экспериментальных данных, полученных в ходе исследования композиционных материалов на основе силикона с различными наполнителями (характеристики наполнителей приведены в таблице).

Наполнитель Содержание основного материала (порошка), V, %, не менее Содержание влаги в порошке (V, %) Размер частицы порошка (1, мкм) Содержание частиц в наполнителе (О, %) Нормативная документация

Мелкодисперсный (пылевидный) порошок 8Ю2, марка Б 98 V <2 1 >16 1 >10 1 >6,3 1 <5 О<1 О<2,5 О<10 о>82 ГОСТ 9077-82

Порошок АВД (серый) 98 V <1 1 <50 О>98 ТУ6-09.110-78

Порошок АВД (белый) 98 V <1 1 <50 о>98 ТУ6-00-5808008-215-88 с изм. 1-4

На рис. 1 приведена зависимость Х(^8ю2), построенная по результатам измерений и расчетов по формулам (1)—(4) для образцов с наполнителем БЮ2. Анализ показывает, что при а1 = 0,1, а2 = 0,9, С = 0,075, = 10 Вт/м-К лучшая сходимость расчетных и экспериментальных данных обеспечивается при использовании формулы (4) с расчетом величин и Х2 по формуле (2); однако в рамках разброса измеренных значений по совокупности всех данных и формулам (1), (3), (4) сходимость можно признать удовлетворительной.

X, Вт/м-К

• — эксперимент

.........— инверсия (4) по формуле (1)

---— инверсия (4) по формуле (2)

1,5

0,5

юрмула (3)

/

/

/

10 20

50

60 VsiO2, %

30 40 Рис. 1

Результаты вычислений по формулам (1)—(4) для образцов с наполнителем AlN, при тех же коэффициентах, что и для образцов с SiO2, и значении теплопроводности AlN (при 20 °С), равном 275 Вт/м-К, показали, что при расчете коэффициента теплопроводности материала по формуле (1), как и по формуле (2), его значение существенно занижено по сравнению с экспериментальным. Применение метода конструирования функции (формула (4)) также не улучшает ситуации: расчетные значения значительно выше измеренных. То же относится и к формуле (3).

Существенно улучшается сходимость расчетных и экспериментальных результатов при уменьшении коэффициента Хнап по сравнению с коэффициентом теплопроводности кристаллического AlN. В частности, на рис. 2 приведены результаты расчетов по формулам (2)—(4) при Хнап = 25 Вт/м-К, что немного ниже справочных данных для порошков поликристаллического AlN [4—6].

2,5 2

1,5 1

0,5

• — эксперимент

-----— и --— нверсия (4) по формуле (2) ормула (3) /

/ /

/ /

/ - s •

/

ь < 4 »

«г*

„J М Г

>

10

20 30 Рис. 2

40 50 Vain, %

2

1

0

В ходе исследований также был измерен коэффициент теплопроводности порошка AlN при свободной засыпке: плотность засыпки 1,4 — 1,5 г/см . Измерения проводились на двух типах образцов [7]. При 20 °С измеренные значения X = 0,8.1,5 Вт/м-К. В расчетах по формулам (1), (2) и (3) при Хнап = 25 Вт/м-К получены следующие значения эффективной теплопроводности порошка АШ: 1,11; 1,02 и 1,33 Вт/м-К соответственно, что неплохо согласуется с экспериментальной оценкой. Таким образом, правомерно считать, что эффективная теплопроводность агрегатов порошка АШ в силиконе при 20 °С приблизительно равна 25 Вт/м-К, что более чем на порядок ниже коэффициента теплопроводности монокристаллического АШ.

Для лучшего понимания этого явления были измерены коэффициенты теплопроводности образцов, в которых порошок АШ (белый) соответствует ТУ, где размеры частиц фазы наполнителя меньше, чем частиц АШ (серый). Так, на рис. 3 приведены результаты измерений и расчетов по формулам (1)—(4) при указанных выше коэффициентах, но при Хнап = 55 Вт/м-К.

X, Вт/м-К 2,5

2

1,5 1

0,5

А/

■У

/ А *

/ш *

гЩг / / ✓

Л- Г

/ экс перх /гмен т

А ------инверсия (4) пс ---— формула (3) — ■ . — инверсия (4) пс формуле (2) формуле (1)

с-

10

20

30 Рис. 3

40

50 Гам, %

Для сравнения фаз наполнителя образцов были произведены их исследования: для образца, содержащего 30 об.% АШ (серый), X = 1,11 Вт/м-К, для другого образца, содержащего 22,5 об.% АШ (белый), X = 1,32 Вт/м-К. В результате установлено, что первый образец формирует фазу, состоящую из включений в основном округлой формы размером от 50 до 250 мкм, причем большая часть наполнителя содержится во включениях размером 70—80 мкм; второй образец формирует фазу, также состоящую из включений в основном округлой формы размером от 30 до 150 мкм, а большая часть наполнителя содержится во включениях размером 30—50 мкм.

Таким образом, теплопроводность материала с АШ в качестве наполнителя может быть рассчитана лишь при условии, что известна дисперсность этой фазы и ее эффективная теплопроводность. Из этого также следует, что максимально возможное измельчение дисперсной фазы наполнителя в связующем позволит увеличить коэффициент теплопроводности при том же объемном содержании наполнителя.

При значительной неоднородности фаз по коэффициенту теплопроводности для расчета эффективной теплопроводности материала необходимо знать теплопроводность фазы наполнителя, а также его структуру.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ДульневГ. Н., ЗаричнякЮ. П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. Л.: Энергия, 1974.

2. МиснарА. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций. М.: Мир, 1968.

3. Чудновский А. Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. М.: ФИЗМАТГИЗ, 1962.

0

4. Самсонов Г. В. Нитриды. Киев: Наук. Думка, 1969.

5. Иванов С. Н., Попов П. А., Егоров Г. В. и др. Теплофизические свойства керамического нитрида алюминия // Физика твердого тела. 1997. Т. 39, вып. 1. С. 93—96.

6. Кириллов В. Н., Дубинкер Ю. Б. и др. Теплопроводность систем „кремнийорганический эластомер — порошкообразный минеральный наполнитель" // ИФЖ. 1972. Т. ХХ111, № 3.

7. Сулаберидзе В. Ш. Эффективность применения наполнителя из полых стеклянных микросфер для повышения качества теплоизоляции зданий. СПб: БГТУ „ВОЕНМЕХ", 2014.

Сведения об авторах

Владислав Александрович Михеев — магистр; БГТУ „ВОЕНМЕХ", кафедра инжиниринга и менеджмента

качества; E-mail: [email protected] Владимир Шалвович Сулаберидзе — д-р техн. наук; БГТУ „ВОЕНМЕХ", кафедра инжиниринга и менеджмента качества

Василий Дмитриевич Мушенко — канд. хим. наук; ООО „СТОЛП"; генеральный директор

Рекомендована кафедрой Поступила в редакцию

инжиниринга и менеджмента качества 24.03.15 г.

Ссылка для цитирования: Михеев В. А., Сулаберидзе В. Ш., Мушенко В. Д. Исследование теплопроводности композиционных материалов на основе силикона с наполнителями // Изв. вузов. Приборостроение. 2015. Т. 58, № 7. С. 571—575.

INVESTIGATION

OF THERMAL CONDUCTIVITY OF SILICONE BASED COMPOSITE MATERIALS WITH FILLERS

V. A. Mikheev1, V. Sh. Sulaberidze1, V. D. Mushenko2

1D. F. Ustinov Baltic State Technical University "VOENMEH", 190005, Saint Petersburg, Russia E-mail: [email protected]

2STOLP Ltd, 195197, Saint Petersburg, Russia

Specifics of theoretical evaluation of thermal conductivity of the composite material the effect of dispersed filling phase is analyzed. The method of design of a formula for the mal conductivity by inversion of the filler and the binder is shown to be efficient.

Keywords: thermal conductivity, composite materials, compound, filler, binder, aluminium nitride.

Data on authors

Vladislav A. Mikheev — Graduate Student; BSTU "VOENMEH", Department of Engineering and

Quality Management; E-mail: [email protected] Vladimir Sh. Sulaberidze — Dr. Sci.; BSTU "VOENMEH", Department of Engineering and Quality

Management

Vasily D. Mushenko — PhD; STOLP Ltd., General Director

Reference for citation: Mikheev V. A, Sulaberidze V. Sh., Mushenko V. D. Investigation of thermal conductivity of silicone based composite materials with fillers // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Pri-borostroenie. 2015. Vol. 58, N 7. P. 571—575 (in Russian).

DOI: 10.17586/0021-3454-2015-58-7-571-575

are considered, composite ther-

silicon dioxide,