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使您的資料更具導熱性

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用3M™ 氮化硼冷卻填料定制塑膠資料的導熱效能

  • 3M™ 氮化硼冷卻填料是一系列先進的陶瓷材料,它可以用於改善聚合物的導熱性,同時保持或改善電絕緣。 其獨特效能使得這些添加劑適用於各種電力和電子應用。 使用3M氮化硼冷卻填料,可以定制熱導率以滿足您系統中的熱量要求–與目標電絕緣、阻燃性、機械效能和化合物/系統成本要求等效能標準相協調。

    我們經驗豐富的全球資料科學家、產品專家和應用工程師團隊將與您密切合作,開發配方和工藝,幫助您實現最佳導熱率和效能水准。

    我們的使命是幫助您成功實現新的產品理念或使用3M氮化硼冷卻填料優化現有設計。 利用我們團隊的專業知識和洞察力,您可以充分發揮這些神奇資料的潜力。

比較各種導熱填料的導熱效能

  • Chart comparing thermal conductivity of thermal fillers
  • 塑膠成為現代設計師最喜愛資料的理由十分充分,包括其成本相對較低;適合大批量生產;以及允許非常自由的設計。

    然而,在電子領域,許多塑膠的應用受限。 這是因為電子元件所需材料的特點是,即便在狹小的空間內,也能有效散熱。 雖然傳統塑膠沒有導熱性,但加入氮化硼作為填充資料即可輕鬆解决這一缺陷。

    一般來說,填充資料的固有熱傳導性是由其化學成分和圍觀形貌决定的。

    最好的例子是碳:
     

    • 六方晶體變形 -> 高達 165 W/m•K
    • 立方晶體變形 -> 高達 2,300 W/m•K
    • 石墨烯 -> 高達 6,000 W/m•K
  • Thermal conduction path of low aspect ratio fillers
  • 低長寬比的填充物

    大多數熱填充物是各向同性的和/或接近球形的。相反,石墨和六方氮化硼在結構上是各向異性的。如果應用得當,這種結構可以用來顯著提高導熱性。圓形或低縱橫比的填料,如氧化鋁、矽酸鋁等,其熱傳導路徑會因以下特性而受到阻礙:
     

    • 顆粒之間沒有接觸
    • 聚合物的行為類似於顆粒之間的熱電阻
  • Thermal conduction path of high aspect ratio fillers
  • 高縱橫比填料

    各向異性填料,如石墨和六方氮化硼,其熱傳導路徑更有效:
     

    • 在相同的填充物負荷下有更多的接觸點
    • 在較低的負載下達到橋接,導致較高的導熱效能
  • Chart showing in-plane conductivity of PA 6 compounds containing boron nitride and other fillers
    • 雷射閃光量測: ASTM E 1461/DIN EN 821
    • Martoxid是Huber Martinswerk的注冊商標 Silatherm是Quarzwerke GmbH的注冊商標。
  • 用氮化硼改善熱效能

    該圖顯示了這種各向異性的優點,它顯示了用氮化硼和其他兩種填充資料配製的PA6化合物的面內電導率。

  • Chart showing different densities of thermal fillers, including 3M boron nitride cooling fillers

    對於2W/mK的面內熱導率:
     

    • 需要70wt.% 的矽酸鋁
    • 需要70wt.% 的氧化鋁
    • 需要30wt.% 的氮化硼冷卻填料
  • 導熱填充物的密度

    另請注意,3M™ 氮化硼冷卻填料的密度遠低於其他熱填料。
     

    • 需要較低的wt-%以獲得與替代熱填料相同的導熱率
    • 填料含量少意味著對化合物的機械效能影響小
    • 填料越少意味著添加的重量越少
    • 應始終根據體積百分比考慮與其他熱填料的比較

3M™ 氮化硼冷卻填料片能够提高現有化合物的導熱效能

如今的塑膠化合物通常含有各種添加劑,以調整機械效能、阻燃性和成本等因素。 通過在化合物中引入3M氮化硼冷卻填料片,可以顯著提高其導熱效能。

  • Microscopic image of aluminum hydroxide
    氫氧化鋁
  • Microscopic image of aluminum talcum
    滑石粉
  • Microscopic image of alumina silicate
    矽酸鋁
  • Microscopic image of wollastonite
    矽灰石
  • Illustration of different shapes, size of fillers

    二次填料的尺寸、形狀和內在熱導率將對化合物的熱導率產生很大的影響。

  • Illustration showing effect different geometries have on thermal conductivity path

    在聚合物中,可以通過使用具有不同幾何形狀的顆粒組合形成複雜的網絡。 從而有利於更好的滲流,增强Z方向的導熱路徑,並减少填充物和聚合物之間的相互作用。

  • chart showing increase in thermal conductivity with boron nitride
    填充氮化硼薄片的環氧樹脂的熱導率,組織為W/m•K

    第一個例子,展示了如何通過添加3M™ 氮化硼冷卻填料CFF 500-3來提高含有矽酸鋁的環氧澆注樹脂的導熱性。

    在澆注樹脂中,各向異性的氮化硼通常不定向,而是均勻地分佈在聚合物基質中。 囙此,面內和層間的熱導率是相似的。

  • chart showing increase in thermal conductivity of an injection molded PA 6 compound with boron nitride
    熱導率(W/m•K),面內(X/Y方向),PA6填充氮化硼片狀物

    第二個例子,展示了如何通過添加氮化硼片來提高注塑成型的PA 6化合物的導熱性。

    同大多數熱塑性資料一樣,PA6傳統上是注塑成型的,這也就導致了各向異性的氮化硼在聚合物基質中的取向/排列。 囙此,面內和層間的熱導率是不同的,注塑PA 6中的對面內熱導率提升的影響更大。


注塑成型參數的改變如何影響導熱效能

  • parallel orientation of boron nitride flakes during injection molding

    由於對模具的摩擦,氮化硼片通常與注塑方向平行。

  • influences on orientation during injection molding

    然而,注塑部件中間區域的方向可能會受到注塑參數的影響。

  • Variables that impact through-plane thermal conductivity

    雷射閃光量測:ASTM E 1461/DIN EN 821

  • 通過以下管道,可以進一步提高層間熱導率:
     

    • 降低熔體溫度
    • 降低注射速度
    • 降低模具溫度

混煉參數的改變將如何影響導熱效能

  • Influences on thermal conductivity during twin screw extrusion

    雷射閃光量測:ASTM E 1461/DIN EN 821

  • 導熱效能在雙螺杆擠出機混煉的過程中也會受到影響。

    螺杆速度以及混合條件的降低可以最大限度地减少團聚體的破裂,並新增熱導率。


比較各種氮化硼填料的熱導率

  • car cutaway from BMBF project
  • 德國政府資助的BMBF項目概述如下。該項目旨在評估用於簡化鋰離子電池工藝和系統的創新資料。

    該研究的科技要求如下:
     

    • 聚合物基質: PA 6
    • 電絕緣:電阻 (IEC 60093) 1,00E+14 Ohm•m
    • 薄型注塑件熱導率 (DIN 52612-1) : x / y / z = 4 / 4 / >2 W/m•K
    • 填充PA6化合物有:
      - 失效應力 (ISO 527-1/-2): 100 MPa
      - 斷裂伸長率 (ISO 527-1/-2): 2-2.3%
      - Charpy衝擊強度 (DIN EN ISO 179−1): 40 KJ/m²
    • 經濟的複合成本
  • Chart comparing thermal conductivity of boron nitride platelets and flakes
  • 該研究比較了3M™ 氮化硼片單晶片和薄片的導熱效能。 如該圖所示,氮化硼薄片將層間熱導率提高了2.5倍。

    為什麼會有這種差別? 首先,理解熱傳導是通過氮化硼顆粒進行的,這一點比較重要。 任何接觸點都是一個熱敏電阻。 新增顆粒大小可以减少接觸點的數量。

    如下圖所示,在相同的填料填充量下,500 μm的薄片比3 μm的薄片有更少的中斷點–使熱量有更直接的逸出路徑(由紅線表示)。 囙此,顆粒越大,導熱性越高。

  • Image of platelets in side by side comparison of platelets and flakes
    小顆粒尺寸(片晶)
  • Image of flakes in side by side comparison of platelets and flakes
    較大顆粒尺寸(薄片)

使用3M™ 氮化硼冷卻填料可以節省整個價值鏈的成本

  • example showing how TIMs, heat sinks, reflectors work together
  • 電力和電子行業最近的舉措表明,加入氮化硼冷卻填料的塑膠能够節約成本、提高產品效能和擴展設計機會。

    下麵的示例展示了一種新的LED手電筒解決方案,它將TIMs、二級散熱器甚至反射器合二為一,同時簡化了整體結構。

項目參與者

  • Lehmann & Voss & Co. logo

    “量身定做”化合物的開發者和製造商

  • RFPLAST logo

    提供熱建模、模具設計和注塑成型服務

  • Häusermann logo

    印製電路板製造商

  • OSRAM logo

    LED供應商

填充氮化硼的化合物由於具有較好的電絕緣效能,所以可以直接將其注塑在印刷電路板周圍,兼具了散熱器和反射器的功能。

與之前使用金屬外殼的解決方案相比,通過减少部件數量和實現一步法製造,系統總成本降低了30%。

同時,出色的熱管理可以延長LED的使用壽命。

  • Image of conventional unfilled polymer in comparison of conventional-unfilled polymer and thermally conductive polymer
    傳統的未填充聚合物
  • Image of thermall conductive polymer in comparison of conventional-unfilled polymer and thermally conductive polymer
    導熱聚合物

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