پلاستیک های رسانای گرما

دسته: مقالات منتشر شده در 12 آبان 1399
نوشته شده توسط Admin بازدید: 45

پلاستیک های رسانای گرما کدامند؟

به طور کلی پلاستیک ها به دلیل ویژگی‌های مثبت خود شناخته می‌شوند مانند قابلیت قالب ‌گیری، نفوذ پذیری و دوام بالا، در سال‌های اخیر تولید کنندگان بسیار تلاش کرده اند تا ویژگی های دیگری را نیز به این لیست اضافه کنند همانند قابلیت انتقال حرارت. احتمالا شما هم شنیده‌اید که پلاستیک ها به عنوان عایق های بسیار خوبی شناخته می شوند و این موضوع می‌تواند یک ویژگی کاملاً عکس ماهیت آنها باشد. شما کاملا حق دارید زیرا اکثر پلاستیک‌ها از رسانایی گرمایی بسیار کمی برخوردارند که حدود دو دهم وات بر متر کلوین می باشد. این مقدار دقیقا مشابه با رسانایی گرمایی سیمان و یا سنگ است. مقدار نام برده شده در آلومینیوم برابر با ۱۵۰ وات بر متر کلوین می باشد و این بدین معنی است که در شرایط یکسان آلومینیوم می‌تواند ۷۵۰ برابر سرعت بیشتری در مقایسه با پلاستیک های سنتی در انتقال حرارت داشته باشد. اگرچه پلاستیک ها به مدت سالها به عنوان عایق در محصولات مختلفی همانند لباس ها به کار برده می شوند اما تولیدکنندگان بسیار تلاش نموده اند تا قابلیت انتقال حرارت را در این مواد به وجود بیاورند. به طور کلی پلاستیک های انتقال دهنده گرما با ترکیب پلیمرهای سنتی با انواعی از مواد فیلر و یا پرکننده به وجود می‌آیند که سازگاری بسیار زیادی با ساختارهای شیمیایی مواد پلاستیکی دارند و علاوه بر آن باعث می شوند تا امکان انتقال حرارت از طریق آنها نیز وجود داشته باشد. به عنوان مثال می توان انواعی از سرامیک های ویژه و ترکیبات کربن فیبر را نام برد. بازار پلاستیک های رسانای گرما امروزه به دلیل افزایش ساخت مواد الکترونیکی در اندازه بسیار کوچک رو به رشد رفته است و این بدین دلیل است که بردهای الکتریکی مدار ها همواره کوچکتر می شوند و در نهایت رفع حرارت انباشته شده در قطعات الکترونیکی می تواند بسیار دشوار باشد. به عنوان مثال می‌توانید به شارژر لپ تاپ خود فکر کنید که به هنگام کار تا چه اندازه گرم میشود. اگر شما میزان حرارت آنها را چک نکنید، ممکن است قطعات نام برده شده آسیب ببینند و به منظور پیشگیری از بروز چنین موردی مواد فلزی در کنار پلاستیک های انتقال دهنده گرما به کار برده می شوند تا بتوانند گرما را از سطح داخلی محصول به سطح بیرونی آن برسانند و سپس این حرارت توسط همرفت از بین خواهد رفت.

شاید سیستم های جاذب گرما یا انباره های حرارتی و حتی سیستم های از بین برنده گرما به عنوان آخرین نمونه‌های شناخته شوند که در آن مواد ترموپلاستیک (یعنی انواعی که عایق گرما هستند) بتوانند جایگزین فلزات شوند. حداقل تا به کنون چنین بوده است و بهترین انتقال دهنده گرما از بین مواد فلزی انتخاب شدند. تغییر مواد پلاستیکی به گونه ‌ای که رسانایی گرمایی بهتری داشته باشند به عنوان یکی از فعالیت های بسیار جذابی به شمار می‌آید که می‌ تواند فرصت‌های زیادی را برای تمام ترکیب کنندگان به وجود آورد. به کارگیری پلاستیک ‌ها در این حوزه می تواند با مشکلات و چالش‌های بسیارزیادی همراه باشد همانند انباشتگی حرارتی در مواد الکترونیکی و تجهیزات، محصولات روشنایی بخش، خودرو و محصولات صنعتی. افراد یاد شده به خوبی توانسته اند با این چالش‌ها روبرو شود. در بین بهترین شرکت هایی که توانسته اند تعدادی از ترکیبهای رسانای گرما را بسازند و این مواد از نظر تجاری در دنیا از شهرت خوبی برخوردار بودند میتوان PolyOne, Cool Polymers, LNP Engineering , RTP , Ticona را نام برد. تعدادی از شرکت ها با نام های GE Plastics, DuPont و A. Schulman نیز محصولاتی را تولید کرده اند که هنوز به دست مشتریان در بازار نرسیده اند و در ماه اخیر نیز شرکت Polyone در مشارکت با شرکت Cool Polymers تلاش کرد تا از توانایی های شرکت دوم در طراحی تجهیزات، آزمون مدیریت گرمایی و قالبگیری تزریقی مواد نمونه استفاده نماید. به طور کلی ترکیباتی که از قابلیت خوبی در انتقال گرما برخوردارند نمی توانند جایگزین مناسبی برای فلزات باشند بلکه آنها فرصت های بسیاری را برای تولید محصولاتی فراهم می کند که قابلیت مدیریت گرمایی دارند. تمامی محصولاتی که با استفاده از این پلاستیک های جدید قالبگیری و ساخته می‌شود، می‌تواند جایگزین فلزات و سرامیک در تعدادی از محصولات شوند و حتی امکان جایگزینی آنها با پلاستیک های غیر رسانا در سایر محصولات نیز وجود دارد. از مصارف آن‌ها می ‌توان به سیستم های گرمایشی با قالب گیری انتخابی، مدارهای الکتریکی و علاوه بر آن لوله کشی برای انتقال گرما در تعدادی از تجهیزات سیستم روشنایی، دستگاه‌های مخابراتی، دستگاه تجاری و تجهیزات صنعتی اشاره کرد که در محیط های فرسایشی و خطرناک به کار برده می‌شود. سیستم‌های جاذب گرما در اغلب موارد شامل یک پلاستیک قالب گیری شده به روی یک لوله حرارتی فلزی می باشد. از مصارف پلاستیک های نام برده شده در تولید محصولات حوزه روشنایی می‌توان به انعکاس دهنده ها سیستمهای کپسوله سازی لیزر دیود و بالاست فلورسنت اشاره کرد. انواعی از انعکاس دهنده های چراغ های جلوی خودرو نیز در حال توسعه می باشد. سنسورهای حرارتی همانند مقاومتهای گرمایی و کپسول سازی پلاستیک های انتقال دهنده گرما می تواند باعث بهبود پاسخگویی به سنسورهای حرارتی شود. از طرف دیگر ترکیبات انتقال دهنده گرما به منظور کپسوله سازی موتورهای کوچک و هسته سیم پیچ موتور به کار برده می شوند. پمپ‌های سوخت دیزل معمولا از پلاستیک های انتقال دهنده گرمایی به منظور حفظ جریان سوخت در دمای زیر مقدار انجماد استفاده می کند. سایر مصارف جذاب آن شامل سیستم های حرارتی به کف زمین می‌شود که در آن در یک فیلم انتقال دهنده و رسانای گرما بین سیم پیچ ها قرار گرفته است و باعث می ‌شود تا آب بتواند در دمای پایین ‌تری جریان پیدا کند.

 

پلاستیک های انتقال دهنده ی گرما در برابر فلزات

پلاستیک در مقایسه با مواد فلزی در تولید محصولات مختلف از مزایای بیشتری برخوردارند به عنوان مثال می‌توان به این موارد اشاره کرد: آنها همانند فلزات با قرارگیری در معرض دمای بالا یا پایین تغییر سایز بسیار زیادی نخواهند داشت و این خود نشان می‌دهد که فشار مکانیکی بر روی قطعات مواد کاهش پیدا خواهد کرد. علاوه بر آن امکان ساخت این دسته از مواد با استفاده از روش های تولیدی متفاوت هم وجود خواهد داشت. از طرف دیگر آنها گزینه بسیار ایده آلی برای تولید محصولاتی می باشند که به رسانایی گرمایی خوبی نیاز دارند ولی رسانای الکتریکی در آنها باید کم باشد. اگرچه پلاستیک‌ های نام برده شده از مزایایی در برابر فلزات برخوردارند اما مسلماً ایرادات و یا نواقصی هم دارند که به عنوان مثال می ‌توان به این موارد اشاره کرد: پلاستیک های انتقال دهنده گرما در مقایسه با پلاستیک های معمولی مقاومت بسیار کمتری در برابر ضربه دارند و حتی می ‌توان عنوان کرد که استحکام آنها در مقایسه با بیشتر محصولات و قطعات فلزی نیز کمتر می باشد. از طرف دیگر این نوع از پلاستیک های نوین فقط به مدت یک و یا دو دهه در بازار وجود داشته اند و هنوز تهیه و خریداری آنها مستلزم هزینه بالایی است.

 

از مزیت های کلی این دسته از پلیمرها در مقایسه با مواد فلزی می توان به این موارد اشاره کرد:

  • کاهش وزن
  •  عدم افت تولید قطعات فلزی
  •  مقاومت زیادی در برابر فرسایش
  •  فرصت‌هایی برای یکپارچگی و ساخت قطعات جدید
  •  افزایش ایمنی
  •  افزایش اطمینان پذیری
  • کاهش گسترش تداخلات الکتریکی
  •  افزایش عمر قطعات و محصولات
  •  افزایش انعطاف پذیری در انتخاب محصول
  •  افزایش و کاهش دما به صورت موثر
  •  رفع نیاز برای کاهش دمای فعال
  • افزایش تعداد پلیمرهای موجود

 

اقدامات اولیه به منظور ساخت ترمو پلاستیک های انتقال دهنده گرما تمرکز بسیار زیادی بر روی انواع مقاوم در برابر گرما همانند پلیمرهای کریستال مایع، پلی اتیلن و پلی سولفون داشته است. PolyOne هم اکنون در حال انجام آزمایشی به روی ترکیبات جدید می باشد که بر پایه پلی اتر ایمید ساخته شدند و تهیه ‌کنندگان سعی می‌کنند تا محصولات تولیدی خود را افزایش دهند تا شامل تعدادی از رزین هایی با تحمل دمای متوسط نیز شوند همانند اکریلونیتریل بوتادین استایرن، پلی کربنات و نایلون و پلاستیک ها با تحمل دمای پایین همانند پلی پروپیلن و پلی استایرن هم در همین دسته قرار می گیرد. حتی الاستومرهای ترموپلاستیک های پلی استری به گونه‌ای تغییر یافته اند تا بتوانند از خواصی همانند انتقال گرمایی برخوردار شوند.

 

آزادی در طراحی و دستوراتی برای طراحان

استفاده از ترمو پلاستیک ها باعث شده است تا آزادی بسیار بیشتری برای طراحی محصولات بیشتر و متفاوت فراهم شود و این در حالیست که بخواهیم آنها را با آلومینیوم مقایسه کنیم. در همین حال باید دستورات ویژه ای را برای طراحی این مواد در نظر بگیرید به عنوان مثال باید سطح کاهش دما با توجه به رسانایی گرمایی ماده تنظیم شود و هر چقدر میزان این رسانایی افزایش پیدا کند سطح ماده نیز باید کوچک تر شود. همچنین هر چقدر انتقال دهندگی گرمایی افزایش پیدا کند، شیارهای گرمایی نیز باید طول بیشتری داشته باشند. اگر منابع گرمایی باعث تولید توان بالایی می شوند باید از مایعات هیبرید استفاده کنید تا بتوانید دو ماده را به بهترین نحو ممکن کنار یکدیگر قرار دهید و علاوه بر آن طراحی خود را آزادانه انجام دهید. خریداران انواع خودروها با مشکلاتی در حوزه مدیریت گرما در سیستم های روشنایی پیشرفته روبرو هستند. همانطور که پیش از این نیز عنوان شد فلزات و آلومینیوم تنها گزینه های موجود نمی ‌باشند و پلاستیک های رسانای گرما می توانند به عنوان یک جایگزین در بسیاری از موارد انتخاب شوند.

مترجم: ف. ال احمد