CC BY
125Крупногабаритные трансформируемые конструкции космических аппаратов
УДК.621.315.616.97
РАЗРАБОТКА НАПОЛНЕННОГО ВЫСОКОТЕПЛОПРОВОДЯЩЕГО ЗАЛИВОЧНОГО КОМПАУНДА
Н. В. Тимощенко1 , А. А. Сивков2, А. С. Ивашутенко2
1АО «Научно-производственный центр «Полюс» Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Кирова, 56 «в» Национальный исследовательский Томский политехнический университет Российская Федерация, 634050, г. Томск, просп. Ленина, 30 *E-mail: [email protected]
Представлены результаты разработки высокотеплопроводящего эпоксидного компаунда с применением дисперсного нитрида алюминия. Получена полимерная композиция с коэффициентом теплопроводности 1,8 Вт/(мК) на основе эпоксидного компаунда и порошка AlNмарки ТЧ-1.
Ключевые слова: эпоксидный компаунд, дисперсный керамический наполнитель, нитрид алюминия, наполненная полимерная композиция, коэффициент теплопроводности.
FILLED CASTING COMPOUND OF HIGH THERMAL CONDUCTIVITY
N. V. Timoshchenko1*, A. A. Sivkov2, A. S. Ivaschutenko2
^С "Research and Production Center "Polus" 56v, Kirova Av., Tomsk, 634050, Russian Federation
2National Research Tomsk Polytechnic University 30, Lenin Av., Tomsk, 634050, Russian Federation E-mail: [email protected]
The research presents the results of studying and researching aluminum nitride powder filled casting polymer-based compound with high thermal conductivity. As a result, a polymer composition is obtained with coefficient of thermal conductivity 1,8 W/(m • K) on the basis of epoxy resin and AlN powder "Tch-1".
Keywords: epoxy compound, filler ceramic particulate, aluminum nitride, polymer composition filled, thermal conductivity.
Высокотеплопроводящие электроизоляционные заливочные компаунды на основе эпоксидных смол с керамическими дисперсными наполнителями находят широкое применение в электротехнических устройствах для морской, авиационной и космической техники.
Для обеспечения надежной работы электротехнических устройств в течение длительного срока хранения, транспортировки и эксплуатации полимерные композиционные материалы рассматриваемого типа должны обладать высокими диэлектрическими характеристиками, трещиностойкостью при циклическом изменении знакопеременных температур (+100 °С до -60 °С), малым коэффициентом теплового линейного расширения (~ 30-10-6)1/°С, высокой адгезией, малой усадкой при полимеризации, отсутствием расслоения смолы и наполнителя, низкой вязкостью, и высокой теплопроводностью.
В настоящее время наиболее широкое применение в качестве полимерной основы получил заливочный компаунд на основе эпоксидной смолы, отверждае-мый ангидридом фталевой кислоты в присутствии ускорителя.
В отвержденном состоянии его коэффициент теплопроводности не превышает X = 0,2-0,3 Вт/(м-К), что примерно на порядок ниже требуемых величин X. Поэтому для повышения X используются керамические диэлектрические дисперсные наполнители, наи-
более распространенным из которых является нитрид алюминия АШ, обладающий одним из самых высоких коэффициентом X = 200 Вт/(м-К) для такого типа материалов и не имеющих никаких ограничений по применению [1-3].
Согласно литературным данным [4] в настоящее время разработаны и используются на практике заливочные компаунды с X = 0,8^1,2 Вт/(м-К), что явно недостаточно и существенно сдерживает развитие специальной техники [5].
В связи с вышесказанным целью данной работы является разработка рецептуры эпоксидного заливочного компаунда с применением порошков АШ различных марок отечественных производителей, обеспечивающих повышение X компаунда более 1,0 Вт/(м-К).
В качестве отечественных дисперсных керамических наполнителей были выбраны перспективные марки нитрид алюминия (5-12, БИ-8650, У-86, ТЧ-1 и ПЧ-2), полученные методом самораспространяющегося синтеза (СВС) (ИСМАН РАН, г. Черноголовка Московской обл.). Изучена дисперсность, морфология дисперсных наполнителей.
Данные марки нитрида алюминия были опробованы в эпоксидном компаунде температурного отверждения. Было подобрано оптимальное соотношение полимерная матрица: наполнитель.
Решетневскуе чтения. 2017
Теплофизические характеристики заливочных компаундов с разными порошками основного наполнителя ЛШ
AlN марка В. ч. m, г 5, мм р, г/см3 T изм., °С a, мм2/с С^ Дж/(г-К) Вт/(м-К) Выдержка, ч.
У-86 230 0,86 3,86 1,79 22,6 0,42 0,89 0,68 0
230 0,80 3,42 1,88 23,2 0,44 0,88 0,72 24
БИ-8650 350 0,89 3,64 1,96 22,1 0,48 0,85 0,80 0
350 0,86 3,40 2,03 22,7 0,52 0,83 0,87 24
5-12 350 0,84 3,36 2,02 22,6 0,48 0,87 0,84 0
350 0,86 3,39 2,09 22,7 0,56 0,89 1,04 24
ТЧ-1 350 0,86 3,51 1,96 21,6 0,71 0,86 1,21 0
350 0,76 3,06 1,95 22,7 0,79 0,87 1,58 24
ПЧ-2 350 0,86 3,42 2,02 21,4 0,67 0,93 1,25 0
350 0,56 2,27 1,96 20,3 0,67 0,89 1,18 24
Массовый состав: 180 в. ч. - эпоксидная основа ЗК-11Т, 320-350 в. ч. - AlN, 4 в. ч - SiO2.
Для предотвращения седиментации «тяжелых» частиц наполнителя в полимерную матрицы была введена тиксотропная добавка в виде наноразмерного диоксида кремния (аэросил марки А-380 по ГОСТ 14922-77). По результатам проведена оценка технологичности композиции при максимально возможном наполнении (способность заполнять зазоры 2-3 мм) и теплофизические характеристики (см. таблицу) методом ксеноновой вспышки на установке NETZSCH LFA 467 HyperFlash.
По результатам таблицы видно, что наибольшим коэффициентом теплопроводности (X = 1,58 Вт/м-К) обладает композиция, наполненная нитридом алюминия марки ТЧ-1 с длительной 24 часовой выдержкой до полимеризации.
На базе исходных композиций с наибольшим X (см. таблицу), приведены исследования возможности дальнейшего повышения X за счет добавок к основному наполнителю порошков AlN с большей дисперсностью с сохранением суммарной массы 350 в. ч. В частности рассмотрен вариант состава основного наполнителя ТЧ-1 + БИ-8650 со следующими массовыми соотношениями: 60:40; 80:20; 90:10, при прочих одинаковых условиях и с проведением полимеризации без выдержки исходной жидкой композиции и с 24-часовой выдержкой.
Существенное повышение X достигается при введении 10-процентной добавки порошка БИ-8650 к основному наполнителю нитрида алюминия марки ТЧ-1. После 24-выдержки до полимеризации коэффициент удельной теплопроводности достигает значения 1,86 Вт/(м-К).
На основании результатов проведенных экспериментальных исследований можно заключить:
1. Из рассмотренного ряда порошков основного наполнителя AlN лучшие теплофизические характеристики получаемого полимерного наполненного композита обеспечивает использование порошка ТЧ-1 в силу особенности распределения по размерам его частиц и их морфологии с сильно развитой поверхностью.
2. Разработана рецептура исходной жидкой композиции состава: 180 в. ч. эпоксидной основы, 4 в. ч. тиксотропной добавки аморфного SiO2 и 350 в. ч. основного дисперсного наполнителя в виде смеси 90 % ТЧ-1 + 10 % БИ-8650, исключающая расслоение наполнителя и обеспечивающая после 24-часовой выдержки в вакууме до начала термической полимери-
зации технологичность заливки и получение полимерного наполненного композита с высокими тепло-физическими характеристиками, достигающего уровня 1,86 Вт/(м-К).
Библиографические ссылки
1. Гладких С. Н., Векшин Н. Н., Колесникова Е. В. и др. Разработка эпоксидных клеящих и герметизирующих материалов с высокой теплопроводностью // Клеи. Герметики. Технологии. 2012. № 4. С. 15-20.
2. Абелиов Я. Л. Наполнители для теплопроводя-щих клеев // Клеи. Герметики. Технологии. 2005. № 8. С. 26-27.
3. Елангин А. А., Шишкин Р. А., Баранов М. В., Бекетов А. Р., Стоянов О. В. Теплопроводные материалы и термопасты на их основе // Все материалы. Энциклопедических справочник. 2013. №7. С. 34-41.
4. Петрова А. П., Абелиов Я. Л., Зуев А. В. Влияние наполнителей на теплофизические свойства клеев // Клеи. Герметики. Технологии. 2013. №8. С. 2-4.
5. Барзилович Е. А., Сиротинкин Н. В. Влияние фракционного состава наполнителей на теплофизиче-ские и физико-механические свойства наполненной теплопроводной эпоксидной композиции // Клеи. Герметики. Технологии. 2015. № 2. С. 19-22.
References
1. Gladkikh S. N., Vekshin N. N., Kolesnikova E. V. i dr. Razrabotka epoksidnykh kleyashchikh i germetiziru-yushchikh materialov s vysokoy teploprovodnost'yu // Klei. Germetiki. Tekhnologii. 2012. №4. Р. 15-20.
2. Abeliov Ya. L. Napolniteli dlya teploprovod-yashchikh kleev // Klei. Germetiki. Tekhnologii. 2005. №8. Р. 26-27.
3. Elangin A. A., Shishkin R. A., Baranov M. V., Beketov A. R., Stoyanov O. V. Teploprovodnye materialy i termopasty na ikh osnove // Vse materialy. Entsiklopedi-cheskikh spravochnik. 2013. № 7. Р. 34-41.
4. Petrova A. P., Abeliov Ya. L., Zuev A. V. Vliyanie napolniteley na teplofizicheskie svoystva kleev // Klei. Germetiki. Tekhnologii. 2013. № 8. Р. 2-4.
5. Barzilovich E. A., Sirotinkin N. V. Vliyanie fraktsionnogo sostava napolniteley na teplofizicheskie i fiziko-mekhanicheskie svoystva napolnennoy teplopro-vodnoy epoksidnoy kompozitsii // Klei. Germetiki. Tekhnologii. 2015. № 2. Р. 19-22.
© Тимощенко Н. В., Сивков А. А., Ивашутенко А. С., 2017
