رسانایی حرارتی سیلیکون و محدوده دمایی: مقادیر، محدودیت‌ها و مقایسه مواد

اگر برای قطعه‌ای که گرم یا سرد می‌شود، سیلیکون انتخاب می‌کنید، به دو عدد و یک مرز نیاز دارید، نه یک درس شیمی. اکثر صفحات، این اعداد را زیر انبوهی از اطلاعات کلی پنهان می‌کنند، بنابراین خریداران وقت خود را برای پرسیدن اینکه در یک خط چه چیزی می‌توانستند بخوانند، تلف می‌کنند.

سیلیکون رسانایی حرارتی پایینی دارد - حدود 0.2 W/m·K - و محدوده دمایی استاندارد کارکرد مداوم آن از -60°C تا +230°C است. سیلیکون به جای هدایت گرما، آن را عایق می‌کند، مگر اینکه با افزودنی‌های سرامیکی یا فلزی پر شده باشد.

هر آنچه در ادامه می‌آید، جزئیات پشت آن جمله است: مقادیر، محدوده‌ی واقعی آنها و اینکه سیلیکون در مقایسه با لاستیک‌هایی که معمولاً با آنها رقابت می‌کند، چگونه است.

رسانایی حرارتی سیلیکون چیست؟

لاستیک سیلیکونی پر نشده (VMQ) حدود 0.2 W/m·K است که معمولاً در ... ذکر می‌شود. باند ۰.۱–۰.۴ وات بر متر مکعب بر کلوین بسته به گرید و میزان پرکننده. پلیمر پایه، PDMS،, حدود 0.15 وات بر متر مکعب در کلوین را اندازه‌گیری می‌کند، و اندازه‌گیری‌های آزمایشگاهی در محدوده دمایی -50 تا 150 درجه سانتیگراد آن را در آن محدوده پایین نگه دارید. برای مرجع، مس تقریباً ۴۰۰ وات بر متر مکعب و آلومینیوم حدود ۲۰۰ وات بر متر مکعب است. بنابراین سیلیکون رسانای گرما نیست. این یک عایق گرما است که اتفاقاً در دماهایی که اکثر پلاستیک‌ها نمی‌توانند تحمل کنند، دوام می‌آورد.

این نکته‌ای است که خریداران از آن غافل می‌شوند: وقتی در یک نقاشی نوشته شده “سیلیکون برای گرما”، تقریباً همیشه منظور گرما است. مقاومت, ، نه گرما انتقال. اینها الزامات متضادی هستند و انتخاب مواد را به جهات مختلفی سوق می‌دهند.

یک توضیح سریع در مورد دستگاه: رسانایی حرارتی بر حسب W/m·K نشان دهنده سرعت عبور گرما است. از طریق یک ماده. عدد پایین به این معنی است که گرما به آرامی حرکت می‌کند، بنابراین سطحی که لمس می‌کنید خنک‌تر می‌ماند در حالی که طرف دیگر گرم می‌شود. این دقیقاً همان رفتاری است که شما در یک دسته یا واشر می‌خواهید، و دقیقاً همان رفتاری است که باید با پرکننده‌ها در هنگام نیاز به انتقال گرما، مهندسی کنید.

سیلیکون رسانای حرارتی (انواع پرکننده)

وقتی کار واقعاً جابجایی گرما - پدهای حرارتی، پرکننده‌های شکاف، مواد رابط حرارتی (TIM) زیر CPU یا ماژول برق - است، ما از سیلیکون پایه استفاده نمی‌کنیم. ما آن را با پرکننده‌های آلومینا، نیترید بور یا اکسید فلز پر می‌کنیم.

این بده بستان مکانیکی است: هرچه پرکننده رساناتری اضافه کنید، سخت‌تر و کمتر الاستیک قطعه به دست می‌آید. شما رسانایی را با انعطاف‌پذیری می‌خرید. این تنش است که انتخاب درجه را تعیین می‌کند، نه یک خط مشخصات خاص.

شیمی پرکننده، سقف را تعیین می‌کند. آلومینا (اکسید آلومینیوم) نیروی محرکه است - ارزان، پایدار و مناسب برای تقریباً ۱ تا ۳ وات بر متر مکعب در بارگذاری‌های عملی. نیترید بور به بالاتر، حدود ۳ تا ۶ وات بر متر مکعب در بارگذاری، می‌رسد، در حالی که عایق الکتریکی باقی می‌ماند، به همین دلیل است که در مواد رابط حرارتی تحت الکترونیک قدرت ظاهر می‌شود. در جایی که عایق الکتریکی مورد نیاز نیست، گونه‌های گرافیتی و فلزی همچنان بالاتر می‌روند، اما قدرت دی‌الکتریکی را که در وهله اول سیلیکون را جذاب می‌کرد، از دست می‌دهند. قانون انتخاب کوتاه است: کمترین رسانایی را انتخاب کنید که بودجه حرارتی شما را جبران کند، زیرا هر نقطه اضافی از W/m·K به قیمت ازدیاد طول، مقاومت پارگی و عمر ابزار شما تمام می‌شود.

محدوده دمایی و مقاومت حرارتی سیلیکون

این عدد دوم است و جایی است که سیلیکون جایگاه خود را نسبت به لاستیک‌های ارزان‌تر به دست می‌آورد. مقاومت حرارتی در واقع سه سوال در یک سوال است: قطعه چقدر به طور مداوم داغ می‌شود، چقدر داغ می‌شود و در انتهای دیگر چقدر سرد می‌شود. یک گرید باید هر سه را داشته باشد و شکاف بین آنها دقیقاً جایی است که ماده اشتباه مشخص می‌شود.

محدوده کاری مداوم استاندارد

سیلیکون استاندارد به طور مداوم در دمای -60 درجه سانتیگراد تا +230 درجه سانتیگراد کار می‌کند. این محدوده به اندازه کافی پایدار است که ما آن را برای اکثر کارهای آب‌بندی، واشر و ظروف آشپزخانه بدون هیچ تردیدی ذکر می‌کنیم. “پیوسته” کلمه کلیدی است: دمایی است که قطعه می‌تواند در تمام طول عمر مفید خود بدون اینکه سختی، استحکام کششی یا نیروی آب‌بندی از مشخصات خارج شود، حفظ کند. این یک عدد محافظه‌کارانه و مبتنی بر برگه اطلاعات فنی است، نه یک رقم بقاء یک‌باره.

رفتار در دمای بالا

گریدهای دما بالا، نوسانات کوتاهی تا ۲۵۰ تا ۳۰۰ درجه سانتیگراد دارند. “کوتاه” بودن دما مهم است: یک واشر می‌تواند در یک جهش کوتاه به دمای ۲۸۰ درجه سانتیگراد برسد و دوباره به حالت عادی برگردد، اما اگر به طور مداوم در همان دما بماند، عمر مفید آن کاهش می‌یابد. همیشه از هم جدا نگه دارید. دمای اوج از دمای سرویس مداوم روی برگه اطلاعات. خریدارانی که عدد پیک را به عنوان عدد عملیاتی می‌خوانند، همان‌هایی هستند که در مورد قطعات سخت و شکننده تماس می‌گیرند.

گریدهای تثبیت‌شده با حرارت از اکسید آهن و سایر افزودنی‌های حرارتی برای رساندن دمای کارکرد مداوم به ۲۶۰ درجه سانتیگراد استفاده می‌کنند. آنها گران‌تر هستند و فقط زمانی ارزش دارند که قطعه واقعاً هزاران ساعت در آن محدوده قرار گیرد - نه برای فرآیندی که ناگهان داغ می‌شود و سپس دوباره سرد می‌شود.

رفتار در دمای پایین

سیلیکون در دمای بسیار پایین‌تری نسبت به اکثر الاستومرها انعطاف‌پذیر می‌ماند. انواع استاندارد آن تا دمای حدود -60 درجه سانتیگراد دوام می‌آورند؛ فلوروسیلیکون (FVMQ) تا دمای تقریباً -73 درجه سانتیگراد دوام می‌آورد. در دمای پایین‌تر از این دما، ماده سفت شده و در نهایت شکننده می‌شود. شکنندگی در دمای پایین تحت ... اندازه‌گیری می‌شود. ASTM D746, و این عددی است که باید برای هرگونه کاربرد زنجیره سرد، هوافضا یا زمستانی در فضای باز بررسی شود. حالت خرابی در انتهای سرد، ترک خوردن در روز اول نیست - بلکه از دست دادن تدریجی برگشت‌پذیری است. آب‌بندی که در سرما شیشه‌ای شده است، دیگر به حالت اولیه خود برنمی‌گردد و یک اتصال استاتیک بی‌سروصدا شروع به نشت می‌کند. به همین دلیل است که نقطه شکنندگی، نه حداقل دمای کاتالوگ، عددی است که به نقشه تعلق دارد.

پیری حرارتی

مقاومت حرارتی یک لحظه نیست - بلکه نحوه رفتار قطعه پس از هزاران ساعت گرما است. پیرسازی حرارتی طولانی مدت تحت شرایط زیر ارزیابی می‌شود: ASTM D573, که تغییرات سختی، استحکام کششی و ازدیاد طول پس از قرار گرفتن مداوم در معرض دما را اندازه‌گیری می‌کند. این همان چیزی است که یک درجه با درجه‌بندی “۲۳۰ درجه سانتیگراد” را از درجه‌ای که صرفاً یک بار در دمای ۲۳۰ درجه سانتیگراد دوام می‌آورد، متمایز می‌کند. در عمل، ما سه خروجی پیرشدگی را با هم می‌خوانیم: افزایش سختی (تبدیل لاستیک به شیشه)، کاهش ازدیاد طول (ترک خوردن به جای کشیده شدن) و از دست دادن استحکام کششی. وقتی خریداری گزارش می‌دهد که قطعات در حین کار شکننده می‌شوند، تقریباً همیشه یک عدم تطابق پیرشدگی در مقابل دما است، نه یک دسته بد.

سیلیکون در مقابل سایر الاستومرها: مقایسه حرارتی

در چه مواردی پوشش حرارتی سیلیکونی واقعاً از سایر گزینه‌ها بهتر است و در چه مواردی اینطور نیست؟ مقادیر معمول برای نشان دادن:

خواندن جدول بر اساس مرز برنامه:

• مزیت واقعی سیلیکون، دامنه دمایی وسیع آن است. هیچ لاستیک معمولی نمی‌تواند هر دو انتهای گرم و سرد را به طور همزمان نگه دارد. اگر قطعه‌ای هم در حالت سرد و هم در حالت گرم قرار گیرد، معمولاً سیلیکون گزینه‌ی پیش‌فرض است.
• برای مقاومت حرارتی خالص به تنهایی، PTFE بالاتر می‌رود و مواد شیمیایی را نادیده می‌گیرد، سیلیکون نمی‌تواند - اما سفت است، الاستیک نیست، بنابراین در جایی که به یک درزگیر انعطاف‌پذیر نیاز دارید، جایگزین مناسبی نیست.
• برای گرما انتقال, ، هیچ کدام از اینها رسانا نیستند. سیلیکون پر شده دقیقاً به این دلیل مسیر عملی است که پلیمر پایه در برابر حرارتی که از آن خواسته می‌شود حرکت کند، مقاومت می‌کند.
• NBR و EPDM در اثر دما از دست می‌روند، نه در اثر رسانایی. خریداران برای این سری محصولات به سیلیکون روی می‌آورند، سپس متوجه می‌شوند که رسانایی اساساً یکسان است - که اشکالی ندارد، زیرا این هرگز دلیل تغییر نبوده است.
• FKM (وایتون) سرما را با شیمی معاوضه می‌کند. تقریباً به خوبی سیلیکون گرما را نگه می‌دارد و در برابر سوخت‌ها و محیط‌های خورنده‌ای که سیلیکون ندارد، مقاومت می‌کند، اما حد سرمای آن ضعیف است - حدود -20 درجه سانتیگراد - بنابراین هر جا که انعطاف‌پذیری در دمای پایین مهم باشد، مقاومت خود را از دست می‌دهد. لاستیک طبیعی برعکس است: خاصیت ارتجاعی خوبی دارد، اما تا 70 تا 90 درجه سانتیگراد نرم می‌شود و برای هر چیزی که داغ می‌شود، مناسب نیست.

انبساط حرارتی و پایداری ابعادی

سیلیکون هنگام گرم شدن بیشتر از فلز منبسط می‌شود. ضریب انبساط حرارتی (CTE) آن در حدود 200-400 × 10⁻⁶ /K است که در دمای زیر اندازه‌گیری می‌شود. ASTM E831 توسط آزمایشگاه‌های شخص ثالث با استفاده از آنالیز ترمومکانیکی. ... برای یک قطعه قالب‌گیری شده مستقل، این موضوع به ندرت اهمیت دارد. وقتی سیلیکون به یک محفظه فلزی متصل یا گیره می‌شود، اهمیت پیدا می‌کند: دو ماده با سرعت‌های متفاوتی رشد می‌کنند و طراحی اتصال باید این حرکت را جذب کند. این یک نکته مربوط به مرز طراحی است، نه یک نقص - اما از آن نوع چیزهایی است که باید در نقشه حل شود، نه در مرحله تولید. اصلاحات عملی برای هر کسی که لاستیک را به فلز متصل کرده است، آشناست: طراحی در یک هندسه سازگار، انتخاب یک سیستم چسب که برش را تحمل می‌کند، یا ایجاد فاصله‌ای که رشد را جذب کند. هیچ یک از این موارد عجیب و غریب نیست - فقط باید قبل از ابزارسازی در مورد آن تصمیم گرفته شود، زیرا عدم تطابق CTE یک مشکل طراحی شده است، نه مشکلی که بتوانید بعداً آن را بررسی کنید.

جایی که رفتار حرارتی سیلیکون واقعاً اهمیت دارد

• الکترونیک: استفاده از پدهای حرارتی و TIM پر شده سیلیکون برای جذب گرما از CPU، GPU و ماژول‌های برق در عین حال عایق الکتریکی ماندن.
• خودرو: واشرها، شیلنگ‌ها و آب‌بندها به محدوده دمایی -60 تا +230 درجه سانتیگراد در نزدیکی محفظه موتور وابسته هستند، جایی که NBR سخت می‌شود.
• ظروف آشپزخانه و شیرینی‌پزی: دستگیره‌ها، زیراندازها و قالب‌ها از عایق سیلیکونی استفاده می‌کنند - به جای اینکه گرما را به دست شما منتقل کنند، در مجاورت آن قابل لمس می‌مانند.
• پزشکی و فضای باز: انعطاف‌پذیری در دمای پایین و پایداری در برابر پیری بار بیشتری را نسبت به رسانایی حمل می‌کند.

اگر یک درخواست خاص را با یک نمره مطابقت می‌دهید، منطق انتخاب دمای بالا این روش به جای اینکه اینجا به طور کامل توضیح داده شود، ارزش یک راهنمای جداگانه را دارد.

سوالات متداول

قبل از مشخصات فنی چه مواردی را باید تأیید کنید

دو عدد - حدود ۰.۲ وات بر متر مکعب در کلوین و -۶۰ درجه سانتیگراد تا +۲۳۰ درجه سانتیگراد - به اکثر جستجوها پاسخ می‌دهند، اما مشخصات را کامل نمی‌کنند. قبل از اینکه درجه‌ای را ذکر کنیم، باید بدانیم که آیا شما عایق هستید یا رسانا، مداوم دمای کاری (نه اوج)، حد سرد شدن نهایی، و اینکه آیا قطعه به فلز می‌چسبد یا خیر. رفتار حرارتی تنها بخشی از کل فرآیند است. خواص فیزیکی سیلیکون — مواد چگالی و مقاومت در برابر آب و جایگاه آن در مجموع خواص سیلیکون هر چارچوب، مشخصات را در جهت خود تغییر می‌دهد. کاربرد و مشخصات دما را به ما بگویید، و درجه، پرکننده و سطح انطباق از آنجا مشخص می‌شود.