Ученые НИТУ «МИСиС» нашли способ до 10 раз снизить стоимость производства композиционных теплоотводящих материалов для промышленности и электроники, что позволяет удешевить производство тепловых радиаторов. В качестве исходных компонентов предложено использовать синтетические каучуки и карбид кремния – обладающий высокой теплопроводностью, но плохо проводящий электрический ток. На их основе получают высоконаполненные эластомерные смеси, которые подвергают вулканизации и низкотемпературной карбонизации.

Статья о разработке опубликована в журнале Polymers.

Эффективный отвод тепла от элементов электроники необходим, так как перегрев неизбежно ведет к сокращению срока службы дорогостоящего оборудования. В настоящий момент для создания радиаторов используют полимерные теплопроводящие композиты, наполненные частицами с высокой теплопроводностью, нитридом бора, различными углеродными материалами. Предложенный подход позволяет получить геометрию готового изделия еще на стадии вулканизации, минимизировав механическую обработку, что снижает стоимость готового изделия.

Кроме радиаторов для систем охлаждения предложенный материал может использоваться в различных уплотнениях в насосной технике, работающей с жидкостями, содержащими абразивные частицы, в химически активных средах. Предложенные материалы могут заменять в узлах трения высоконаполненные суперконструкционные термопласты и искусственный графит. Такие материалы обладают хорошими механическими характеристиками, химической и тепловой стойкостью, но в настоящий момент такие изделия отличаются высокой ценой.

Команда ученых Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС» нашла способ существенно удешевить производство за счет использования новых композиционных материалов на основе карбонизованных матриц. Для их создания используются синтетические каучуки, наполненные карбидом кремния, при этом доля карбида кремния может достигать 450 массовых частей на 100 частей матрицы.

Производственный процесс довольно прост: наполнитель – карбид кремния вводится в каучук на вальцах, в которых валки вращаются навстречу друг другу с разными скоростями, благодаря этому в зазоре возникают большие сдвиговые нагрузки, которые позволяют вводить в материал большое количество наполнителя и по объему, и по массе и равномерно его распределять в материале. В дальнейшем полученная эластомерная смесь вулканизуется в пресс-форме, принимая форму изделия, после чего подвергается низкотемпературной карбонизации при температуре до 360 ^оС.

«При такой технологии образуется очень мало отходов – эластомерная масса не только однородна, но и по своему поведению подобна пластилину или глине. Все остатки после раскроя заготовок можно тут же использовать повторно. Получившийся после термообработки материал выдерживает температуры до 300 °C, хорошо отводит тепло, при этом почти не проводит ток. То есть его можно использовать в системах отвода тепла от различных электронных устройств», – поясняет Андрей Степашкин, к.т.н., старший научный сотрудник Центра композиционных материалов НИТУ «МИСиС».

Однако, как отмечают ученые, их главное достижение даже не в создании данного конкретного материала, а в выявленных закономерностях формирования структуры получаемых материалов и их упругих, прочностных, тепловых и др. характеристик в зависимости от степени наполнения, которые можно создавать вышеописанными методами. Это позволяет прогнозировать, какие характеристики будут получены и как они будут изменяться при замене карбида кремния, к примеру, на углеволокно, естественный графит или нитрид бора, что позволит расширить области применения материалов в других областях техники.