Разработка полимерных наноструктурированных термических интерфейсов для систем терморегулирования и исследование их тепло-физических свойств
По мере стремительного развития высокотехнологических секторов промышленности, в том числе связанного с развитием нанотехнологий, возникла важнейшая проблема в обеспечении эффективного охлаждения тепловыделяющих элементов, таких как процессоры в вычислительной и мобильной технике, диоды в светотехнической промышленности, транзисторы и тиристоры в микроэлектронике и т.д. Значительное уменьшение габаритных размеров и массы устройств, наряду с увеличением мощности, приводит к перегреванию, снижению длительности срока службы и скорому выходу из строя. Вследствие чего существует критически важная задача в организации эффективного отвода тепла от тепловыделяющего элемента. Именно поэтому, сфера терморегулирования выходит на первый план при создании передовых электронных систем.
Для эффективного отвода тепла необходимо обеспечить максимальную площадь теплопереноса, для чего необходимо добиться отсутствия воздушных зазоров между соприкасающимися поверхностями. Для этого используются термические интерфейсы или ТИМы (TIM – Thermal Interface Materials), вытесняющие воздух из шероховатостей поверхности.
В настоящее время разработан широкий спектр таких материалов для различных областей применения. Одними из наиболее распространённых ТИМов являются термопрокладки (теплопроводные прокладки). В отличие от термопаст теплопроводные прокладки являются более надежным способом соединения двух поверхностей - они не могут вытечь (например, под воздействием вакуума). Наибольшее распространение в России получили теплопроводные прокладки КПТД (Лист проводящий диэлектрический), обладающие низкой теплопроводностью - 1,0 Вт/(м·К), что может привести к перегреванию из-за неэффективного охлаждения тепловыделяющих элементов. Использование металлических прокладок значительно ограничено ввиду их стоимости и электропроводности (из-за неправильной установки может произойти короткое замыкание). Использование высоко теплопроводных и дорогостоящих материалов не позволяет полностью решить проблему получения промышленно доступных полимерных композиционных материалов с коэффициентом теплопроводности не менее 6,0 Вт/(м·К) для систем естественной конвекции. Что обуславливает необходимость изучения технологических путей получения новых полимерных термических интерфейсов с повышенными теплофизическими свойствами.
В настоящем проекте предлагается разработка технологии пропитывания каркасного наполнителя (углеродного войлока) кремний органическим связующим с его последующим застыванием для получения термопрокладок. Добавление частиц модификаторов неправильной формы в связующее, позволит эффективно заполнять пустоты в войлоке более теплопроводными частицами, что положительным образом скажется на значении теплопроводности получаемого изделия.
Возникновение перколяционной сетки выше перколяционного порога является классическим примером улучшения электропроводности композитных материалов, данный подход планируется применить для увеличения теплопроводности композиционных материалов (ТИМов) за счет введения игольчатых или волокнистых частиц в качестве модификатора. Использование каркасного наполнителя (углеродного войлока) будет способствовать, как улучшению механических свойств, так и созданию трехмерной перколяционной сетки в композиционном материале.
Изучение влияния физико-химических свойств материалов (природы, размера и морфологии частиц, теплопроводности) на теплопроводность термических интерфейсов и их взаимодействие с полимерной кремнийорганической матрицей является важнейшим этапом разработки технологии получения композиционных материалов. Ведь на текущий момент вклад размера частиц, удельной поверхности, пористости и морфологии частиц на формирование перколяционной сетки и максимальное наполнение матрицы (связующего) полностью не изучен.
Отдельное внимание планируется уделить технологии пропитывания каркасного наполнителя кремний органическим связующим для обеспечения равномерного распределения связующего в каркасе и отсутствия пустот, ведущих к снижению теплопроводности.
Для измерения теплопроводности будет создан уникальный компьютеризированный стенд на основе прибора ИТ-лямбда-400, позволяющий измерять теплопроводность методом горячих дисков более 1,0 Вт/(м·К), а также разработана методика испытаний образцов.
Решение поставленных задач и разработка технологии получения новых композиционных материалов (термических интерфейсов) представляет интерес как фундаментальные данные и подходы к созданию новых высокоэффективных материалов, так и как готовый продукт для предприятий электронной и электротехнической промышленностей.
