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    公司名称:[3M中国有限公司]

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它是如何工作的

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用3M™ 氮化硼冷却填料定制塑料材料的导热性能

  • 3M™ 氮化硼冷却填料是一系列先进的陶瓷材料,它可以用于改善聚合物的导热性,同时保持或改善电绝缘。其独特性能使得这些添加剂适用于各种电气和电子应用。使用3M氮化硼冷却填料,可以定制热导率以满足您系统中的热量要求 – 与目标电绝缘、阻燃性、机械性能和化合物/系统成本要求等性能标准相协调。

    我们经验丰富的全球材料科学家、产品专家和应用工程师团队将与您密切合作,开发配方和工艺,帮助您实现最佳导热率和性能水平。

    我们的使命是帮助您成功实现新的产品理念或使用3M氮化硼冷却填料优化现有设计。利用我们团队的专业知识和洞察力,您可以充分发挥这些神奇材料的潜力。

比较各种导热填料的导热性能

  • Chart comparing thermal conductivity of thermal fillers
  • 塑料成为现代设计师最喜爱材料的理由十分充分,包括其成本相对较低;适合大批量生产;以及允许非常自由的设计。

    然而,在电子领域,许多塑料的应用受限。这是因为电子元件所需材料的特点是,即便在狭小的空间内,也能有效散热。虽然传统塑料没有导热性,但加入氮化硼作为填充材料即可轻松解决这一缺陷。

    一般来说,填充材料的固有热传导性是由其化学成分和围观形貌决定的。

    最好的例子是碳:
     

    • 六方晶体结构 - 高达165W/m•K
    • 立方晶体结构 - 高达2300W/m•K
    • 石墨烯 - 高达6000W/m•K
  • Thermal conduction path of low aspect ratio fillers
  • 低长宽比的填充物

    大多数热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结构上是各向异性的。如果应用得当,这种结构可以用来显著提高导热性。圆形或低纵横比的填料,如氧化铝、硅酸铝等,其热传导路径会因以下特性而受到阻碍:
     

    • 颗粒之间没有接触
    • 聚合物的行为类似于颗粒之间的热电阻
  • Thermal conduction path of high aspect ratio fillers
  • 高纵横比填料

    各向异性填料,如石墨和六方氮化硼,其热传导路径更有效:
     

    • 在相同的填充物负荷下有更多的接触点
    • 在较低的负载下达到桥接,导致较高的导热性能
  • Chart showing in-plane conductivity of PA 6 compounds containing boron nitride and other fillers
    • 激光闪光测量:ASTM E 1461/DIN EN 821
    • Martoxid是Huber Martinswerk的注册商标 Silatherm是Quarzwerke GmbH的注册商标。
  • 用氮化硼改善热性能

    该图显示了这种各向异性的优点,它显示了用氮化硼和其他两种填充材料配制的PA6化合物的面内电导率。

    尽管传统的热填料局限于< 4 W/m•K in-plane thermal conductivity, 3M™ Boron Nitride Cooling Fillers can achieve >10W/m•K的面内热导率和高达4W/m•K的层间热导率。

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

    对于2W/mK的面内热导率:
     

    • 需要70wt.%的硅酸铝。
    • 需要70wt.%的氧化铝
    • 需要30wt.%的氮化硼冷却填料
  • 导热填充物的密度

    另请注意,3M™ 氮化硼冷却填料的密度远低于其他热填料。
     

    • 需要较低的wt-%以获得与替代热填料相同的导热率
    • 填料含量少意味着对化合物的机械性能影响小
    • 填料越少意味着增加的重量越少
    • 应始终根据体积百分比考虑与其他热填料的比较

3M™ 氮化硼冷却填料能够提高现有化合物的导热性能

如今的塑料化合物通常含有各种添加剂,以调整机械性能、阻燃性和成本等因素。通过在化合物中引入3M氮化硼冷却填料,可以显著提高其导热性能。

  • Microscopic image of aluminum hydroxide
    氢氧化铝
  • Microscopic image of aluminum talcum
    滑石粉
  • Microscopic image of alumina silicate
    硅酸铝
  • Microscopic image of wollastonite
    硅灰石
  • Illustration of different shapes, size of fillers

    第二种填料的尺寸、形状和内在热导率将对化合物的热导率产生很大的影响。

  • Illustration showing effect different geometries have on thermal conductivity path

    在聚合物中,可以通过使用具有不同几何形状的颗粒组合形成复杂的网络。从而有利于更好的渗流,增强Z方向的导热路径,并减少填充物和聚合物之间的相互作用。

  • chart showing increase in thermal conductivity with boron nitride
    填充氮化硼薄片的环氧树脂的热导率,单位为W/m•K

    第一个例子,展示了如何通过添加3M™ 氮化硼冷却填料CFF 500-3来提高含有硅酸铝的环氧浇注树脂的导热性。

    在浇注树脂中,各向异性的氮化硼通常不定向,而是均匀地分布在聚合物基质中。因此,面内和层间的热导率是相似的。

  • chart showing increase in thermal conductivity of an injection molded PA 6 compound with boron nitride
    热导率(W/m•K),面内(X/Y方向),PA6填充氮化硼片状物

    第二个例子,展示了如何通过添加氮化硼片来提高注塑成型的PA 6化合物的导热性。

    同大多数热塑性材料一样,PA6传统上是注塑成型的,这也就导致了各向异性的氮化硼在聚合物基质中的取向/排列。因此,面内和层间的热导率是不同的,注塑PA 6中的对面内热导率提升的影响更大。


注塑成型参数的改变如何影响导热性能

  • parallel orientation of boron nitride flakes during injection molding

    由于对模具的摩擦,氮化硼片通常与注塑方向平行。

  • influences on orientation during injection molding

    然而,注塑部件中间区域的方向可能会受到注塑参数的影响。

  • Variables that impact through-plane thermal conductivity

    激光闪光测量:ASTM E 1461/DIN EN 821

  • 通过以下方式,可以进一步提高层间热导率:
     

    • 降低熔体温度
    • 降低注射速度
    • 降低模具温度

混炼参数的改变将如何影响导热性能

  • Influences on thermal conductivity during twin screw extrusion

    激光闪光测量:ASTM E 1461/DIN EN 821

  • 导热性能在双螺杆挤出机混炼的过程中也会受到影响。

    螺杆速度以及混合条件的降低可以最大限度地减少团聚体的破裂,并增加热导率。


比较各种氮化硼填料的热导率

  • car cutaway from BMBF project
  • 德国政府资助的BMBF项目概述如下。该项目旨在评估用于简化锂离子电池工艺和系统的创新材料。

    该研究的技术要求如下:
     

    • 聚合物基质:PA 6
    • 电绝缘:电阻(IEC 60093)1,00E+14 Ohm•m
    • 薄型注塑件热导率(DIN 52612-1):x / y / z = 4 / 4 />2 W/m•K
    • 填充PA6化合物有:
      - 失效应力(ISO 527-1/-2):100 MPa
      - 断裂伸长率(ISO 527-1/-2):2-2.3%
      - Charpy冲击强度(DIN EN ISO 179-1):40 KJ/m²
    • 经济的复合成本
  • Chart comparing thermal conductivity of boron nitride platelets and flakes
  • 该研究比较了3M™ 氮化硼片单晶片和薄片的导热性能。如该图所示,氮化硼薄片将层间热导率提高了2.5倍。

    为什么会有这种差别?首先,理解热传导是通过氮化硼颗粒进行的,这一点比较重要。任何接触点都是一个热敏电阻。增加颗粒大小可以减少接触点的数量。

    如下图所示,在相同的填料填充量下,500μm的薄片比3μm的薄片有更少的中断点 – 使热量有更直接的逸出路径(由红线表示)。因此,颗粒越大,导热性越高。

  • Image of platelets in side by side comparison of platelets and flakes
    小颗粒尺寸(片晶)
  • Image of flakes in side by side comparison of platelets and flakes
    较大颗粒尺寸(薄片)

使用3M™ 氮化硼冷却填料可以节省整个价值链的成本

  • example showing how TIMs, heat sinks, reflectors work together
  • 电气和电子行业最近的举措表明,加入氮化硼冷却填料的塑料能够节约成本、提高产品性能和扩展设计机会。

    下面的示例展示了一种新的LED手电筒解决方案,它将TIMs、二级散热器甚至反射器合二为一,同时简化了整体结构。

项目参与者

  • Lehmann & Voss & Co. logo

    “量身定做”化合物的开发者和制造商

  • RFPLAST logo

    提供热建模、模具设计和注塑成型服务

  • Häusermann logo

    印制电路板制造商

  • OSRAM logo

    LED供应商

填充氮化硼的化合物由于具有较好的电绝缘性能,所以可以直接将其注塑在印刷电路板周围,兼具了散热器和反射器的功能。

与之前使用金属外壳的解决方案相比,通过减少部件数量和实现一步法制造,系统总成本降低了30%。

同时,出色的热管理可以延长LED的使用寿命。

  • Image of conventional unfilled polymer in comparison of conventional-unfilled polymer and thermally conductive polymer
    传统的未填充聚合物
  • Image of thermall conductive polymer in comparison of conventional-unfilled polymer and thermally conductive polymer
    导热聚合物

支持

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