Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer Flexibilität werden wärmeleitfähige Polymerverbundstoffe zwischen einer Wärmequelle und einer Senke in der Elektronik eingesetzt, um die erzeugte Wärme an die Umgebung abzugeben. Eine effiziente Wärmeableitung wird durch die Verwendung von Füllstoffen mit bestimmten Orientierungen erreicht, die den Wärmefluss erleichtern.
Das herkömmliche Verfahren zum Modifizieren der Orientierung des Füllstoffmaterials ist jedoch ein energieintensiver Prozess, der den Einsatz von elektrischen/magnetischen Feldern und Oberflächenmodifikationen erfordert, die die Qualität des Füllstoffs und seine thermischen Eigenschaften beeinträchtigen können.
Nun haben Professor Chae Bin Kim und sein Team von der Pusan National University, Republik Korea, in einer neuen Studie ein energieeffizientes Verfahren entwickelt, um die Ausrichtung des Füllstoffs zu ändern, ohne dass Oberflächenmodifikationen erforderlich sind.
Dieses Papier wurde am 17. Oktober 2022 online verfügbar gemacht und wird in Band 117 der Zeitschrift veröffentlicht Polymerprüfung am 1. Januar 2023.
Das vorgeschlagene Verfahren nutzt die Thermophorese, ein Phänomen, bei dem ein Temperaturgradient bewirkt, dass sich feste Partikel, die in einem flüssigen Medium suspendiert sind, bewegen oder drehen. Zur Herstellung des Polymerverbundwerkstoffs suspendierten die Forscher wärmeleitende Füllstoffpartikel aus hexagonalem Bornitrid (h-BN) in einer UV-härtbaren Flüssigkeit und beschichteten sie zwischen zwei Glasplatten.
Entlang der Filmdicke wurde ein Temperaturgradient angelegt, wodurch bewirkt wurde, dass sich die Füllstoffpartikel drehten und entlang des angelegten Temperaturgradienten neu ausrichteten. Beim Erreichen der gewünschten Orientierungen wurde der Verbundstoff photogehärtet, was zu einem festen Verbundstoff mit festen Füllstofforientierungen führte, die einen Wärmeübertragungsweg bilden.
„Nach unserem besten Wissen ist die aktuelle Studie die erste experimentelle Demonstration der Steuerung der anisotropen Füllstofforientierung mittels Thermophorese“, sagt Professor Kim.
Wärmeleitende Polymerverbundstoffe wie Wärmeleitpaste werden in Telefonen, Laptops und sogar in Batterien verwendet. In Anbetracht der wachsenden Elektronikproduktion und des erwarteten Übergangs zu Elektrofahrzeugen hat das vorgeschlagene Verfahren das Potenzial, die Energiekosten für die Herstellung von wärmeleitenden Polymerverbundwerkstoffen zu senken. Darüber hinaus können durch Vermeidung der Notwendigkeit von Oberflächenmodifikationen hocheffiziente wärmeleitende Polymerverbundstoffe für eine verbesserte Wärmeableitung entwickelt und die Lebensdauer von Elektronik verlängert werden.
„Effiziente wärmeableitende Materialien können die besten Betriebsbedingungen für das Gerät mit verbesserter Zuverlässigkeit, Lebensdauer und Benutzersicherheit gewährleisten“, sagt Professor Kim.
Neben der Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit werden Füllstoffe auch verwendet, um die optischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften eines Verbundwerkstoffs zu verändern. Durch die Möglichkeit, den Füllstoff ohne Oberflächenmodifikationen neu auszurichten, kann das vorgeschlagene Verfahren auch zur Einstellung der Eigenschaften einer Vielzahl von Polymerverbundwerkstoffen eingesetzt werden, ohne deren Qualität zu beeinträchtigen.
Mehr Informationen:
Seong-Bae Min et al, Thermisch leitfähige 2D-Füllstofforientierungskontrolle in Polymeren mittels Thermophorese, Polymerprüfung (2022). DOI: 10.1016/j.polymertesting.2022.107838
Zur Verfügung gestellt von der Pusan National University