Теплопроводящий герметик

Изобретение относится к области материалов, применяемых с целью герметизации технических изделий и систем и для эффективного отвода избыточной тепловой энергии в рабочих режимах.

Известны различные композиционные полимерные материалы для высоковольтной герметизации и для отвода тепла от работающих технических устройств, в том числе герметики, компаунды и клеи, составы этих материалов и способы их целевого применения. Их широко применяют в изделиях электронной техники (ИЭТ), электротехнической и радиоэлектронной аппаратуре (РЭА), в специальных технических изделиях различного назначения.

Известны теплопроводящие пасты, смазки, фольга с покрытием, заполняющим неровности поверхности изделия (парафины, воски), материалы на стекловолоконной основе, заполненные силиконовым каучуком производства компании Berquist, а также другие инновационные теплорассеивающие полимерные композиты. («Силовая электроника» №2, 2008, стр. 118-123, «Силовая электроника» №3, 2012, стр. 48-52). Их общими недостатками являются: зарубежное происхождение компонентов, ограниченные технологические возможности применения, несоответствие ряду эксплуатационных требований к отечественным объектам применения, а также высокие цены.

Известен электроизоляционный состав на основе эпоксидных смол, аминного отвердителя и наполнителей: оксида алюминия и нитрида бора (Авт.св. СССР №643978). Основным препятствием для технологического применения этого состава является очень большая исходная вязкость.

Известен теплопроводящий и электропроводящий материал (патент РФ №2200170), содержащий частицы углеродного материала с полипропиленовым покрытием. Однако он не обладает свойствами диэлектрика, его использование при герметизации и склейке связано со значительными технологическими проблемами.

Известна электроизоляционная композиция (Авт.св. СССР №1078470) на основе эпоксидной диановой смолы, содержащая кремний или карбид кремния в качестве наполнителя. Основным недостатком композиции является необходимость в применении повышенных температур при ее нанесении. Другим недостатком является техническая проблема снятия отвердевшей композиции с залитых ею электротехнических элементов (например, дросселей) при технологической ошибке и необходимости проведения повторных операций нанесения.

Известны различные зарубежные теплопроводящие композиционные материалы с диэлектрическими свойствами. К ним относятся, в частности, герметики Dow Corning 9184 со значением теплопроводности 0,84 Вт/(м*К), Sylgard 160 со значением теплопроводности 0,62 Вт/(м*К), компаунд Q3-3600 со значением теплопроводности 0,77 Вт/(м*К), теплопроводящие пасты, например Dow Corning 340, со значением теплопроводности 0,68 Bt/(m*K), Dow Corning SC 102 со значением теплопроводности 0,85 Вт/(м*К) и ряд других. Недостатками всех этих материалов являются не всегда высокий уровень теплопроводности и, что особенно существенно, зарубежное происхождение.

Известен ряд отечественных силиконовых герметиков и компаундов, обладающих свойствами теплопроводности. Среди них следует упомянуть компаунды Силагерм-2112, Силагерм-2142 и ряд его традиционных аналогов, например герметик Виксинт У-4-21. Однако эти материалы имеют теплопроводность в пределах 0,5-0,7 Вт/(м*К) и предназначены, прежде всего, для высоковольтной герметизации.

Известен отечественный компаунд КТК-1 (ТУ 2252-037-89021704-2013) для заливки изделий радио- и электротехнической аппаратуры. Его получают смешением двух компонентов при комнатной температуре. При значении коэффициента теплопроводности 1,1 Вт/(м*К) компаунд демонстрирует в отвержденном состоянии предел прочности при растяжении 0,6 МПа и относительное удлинение при разрыве не более 30%. Таким образом, при достаточной теплопроводности он значительно уступает по прочности и эластичности большинству известных силиконовых компаундов.

Известны компаунды группы КПТД-1/1, выпускаемые фирмой «НОМАКОН» по ТУ РБ 100009933.004-2001. К ним относятся компаунды 1 Л-1,00; 1 Л-1,50; 1Л-2,50 с хорошими диэлектрическими показателями, но с теплопроводностью не выше 0,50 Вт/(м*К), что в большинстве случаев не достаточно. Кроме того, в таблицах по данным материалам не приводятся сведения по физико-механическим характеристикам, что заставляет сделать предположение об их недостаточно высоких значениях. Несколько лучшей теплопроводностью обладают компаунды КПТД-1/1, отнесенные к разряду «тяжелых». Это компаунды 1Т-5,50; 1Т-8,50; 1Т-12,5. За счет значительного увеличения вязкости в данном случае удается добиться уровня теплопроводности не более 1,00 Вт/(м*К). При этом, в значительной степени, ухудшаются параметры, определяющие технологичность компаундов. Из-за неполноты приводимых данных трудно судить о прочности и эластичности вулканизатов рассматриваемых компаундов. Однако по своему составу, принципам целевого применения, технологическим свойствам, основным свойствам вулканизатов компаунды КПТД-1/1 «НОМАКОН» по ТУ РБ 100009933.004-2001 наиболее близки к заявляемому теплопроводящему герметику и приняты в качестве прототипа.

Задачей настоящего изобретения является создание теплопроводящего герметика, предназначенного для герметизации и отвода тепла в работающих изделиях электронной техники и радиоэлектронной аппаратуры, который сочетает необходимый уровень свойств, определяющих технологические характеристики (относительно низкая вязкость, заливочные свойства, высокая жизнеспособность), со значительным уровнем теплопроводности.

Технический результат заключается в том, что теплопроводящий герметик на основе силиконовых эластомеров и силиконовых олигомеров представляет собой многокомпонентную гетерогенную систему, наполненную мелкодисперсными агломератами частиц с различной структурой и с различными теплопроводящими свойствами, и обладает необходимым уровнем теплопроводности, диэлектрических и механических свойств в сочетании с технологическими свойствами, а именно незначительной исходной вязкостью, достаточной жизнеспособностью и оптимальным временем полного отверждения.

Технический результат достигается тем, что теплопроводящий герметик состоит из двух компонентов: полимерсодержащей основы (компонент А) и отверждающей смеси (компонент Б), соединяемых в массовых соотношениях: на 100 мас.ч. компонента А от 4 мас.ч. до 12 мас.ч. компонента Б, причем компонент А представляет собой смесь низкомолекулярного силиконового каучука с молекулярной массой 20000-50000 у.е. и силиконового олигомера с оксидом алюминия (электрокорунд) и карбидом кремния при следующем соотношении составляющих ингредиентов, мас.ч.:

а компонент Б представляет собой смесь этилсиликата и оловоорганической соли, выбранной из октоата олова и диэтилдикаприлата олова, которая может дополнительно включать силиконовый олигомер при следующем соотношении составляющих ингредиентов, мас. ч:

В составе заявляемого теплопроводящего герметика применяются следующие компоненты (Таблица 1).

В таблице 2 приведены данные по составу компонента А теплопроводящего герметика. В таблице 3 приведены данные по составу компонента Б теплопроводящего герметика. В таблице 4 приведены данные по составу теплопроводящего герметика. В таблице 5 приведены данные по характеристикам теплопроводящего герметика. В таблице 6 приведены сравнительные характеристики теплопроводящего герметика, его прототипа и аналогов.

Далее приведены конкретные примеры получения компонента А и компонента Б теплопроводящего герметика и примеры получения заявляемого теплопроводящего герметика. Составы компонента А №№1-4 (табл. 2), компонента Б №№5-8 (табл. 3) и теплопроводящего герметика №№9-12 (табл. 4) соответствуют примерам их получения с идентичными номерами.

Пример 1

Приготовление компонента А теплопроводящего герметика. Взвешивают в емкости для смешивания компонентов 100 г каучука СКТН марки А. Помещают в емкость 20 г силиконового олигомера ПМС-100 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят при перемешивании 120 г карбида кремния и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Затем в полученную суспензию вносят по частям, периодически перемешивая, электрокорунд в количестве 200 г. Компонент А переносят в закрывающуюся емкость и хранят в закрытом виде до момента введения в контакт с компонентом Б, но не менее 24 ч.

Пример 2

Приготовление компонента А теплопроводящего герметика. Взвешивают в емкости для смешивания компонентов 100 г каучука СКТН марки А. Помещают в емкость 30 г силиконового олигомера ПМС-50 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят при перемешивании 200 г карбида кремния и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Затем в полученную суспензию вносят по частям, периодически перемешивая, электрокорунд в количестве 120 г. Компонент А переносят в закрывающуюся емкость и хранят в закрытом виде до момента введения в контакт с компонентом Б, но не менее 24 ч.

Пример 3

Приготовление компонента А теплопроводящего герметика. Взвешивают в емкости для смешивания компонентов 100 г каучука СКТН марки А. Помещают в емкость 20 г силиконового олигомера ПМС-50 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят при перемешивании 180 г карбида кремния и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Затем в полученную суспензию вносят по частям, периодически перемешивая, электрокорунд в количестве 190 г. Компонент А переносят в закрывающуюся емкость и хранят в закрытом виде до момента введения в контакт с компонентом Б, но не менее 24 ч.

Пример 4

Приготовление компонента А теплопроводящего герметика. Взвешивают в емкости для смешивания компонентов 100 г каучука СКТН марки Б. Помещают в емкость 40 г силиконового олигомера ПМС-100 и тщательно перемешивают с каучуком 2-3 мин. В полученную смесь вносят при перемешивании 150 г карбида кремния и выдерживают до выхода основного количества воздушных включений из объема смеси. Затем в полученную суспензию вносят по частям, периодически перемешивая, электрокорунд в количестве 160 г. Компонент А переносят в закрывающуюся емкость и хранят в закрытом виде до момента введения в контакт с компонентом Б, но не менее 24 ч.

Пример 5

Приготовление компонента Б теплопроводящего герметика. Взвешивают в емкости для смешивания компонентов 100 г этилсиликата-40. Добавляют 12 г октоата олова и тщательно перемешивают. Полученный компонент Б переносят в закрывающуюся емкость и хранят до момента введения в контакт с компонентом А.

Пример 6

Приготовление компонента Б теплопроводящего герметика. Взвешивают в емкости для смешивания компонентов 100 г этилсиликата-40. Добавляют 10 г октоата олова и тщательно перемешивают. Добавляют 50 г силиконового олигомера ПМС-50 и вновь перемешивают. Полученный компонент Б переносят в закрывающуюся емкость и хранят до момента введения в контакт с компонентом А.

Пример 7

Приготовление компонента Б теплопроводящего герметика. Взвешивают в емкости для смешивания компонентов 100 г этилсиликата-32. Добавляют 20 г диэтилдикаприлата олова и тщательно перемешивают. Затем добавляют 20 г силиконового олигомера ПМС-50, вновь перемешивают. Полученный компонент Б переносят в закрывающуюся емкость и хранят до момента введения в контакт с компонентом А.

Пример 8

Приготовление компонента Б теплопроводящего герметика. Взвешивают в емкости для смешивания компонентов 100 г этилсиликата-40. Добавляют 25 г диэтилдикаприлата олова и тщательно перемешивают. Затем добавляют 40 г силиконового олигомера ПМС-50 и вновь перемешивают. Полученный компонент Б переносят в закрывающуюся емкость и хранят до момента введения в контакт с компонентом А.

Пример 9

Приготовление теплопроводящего герметика. Для приготовления герметика в технологическую емкость вносят 100 г компонента А, состав 1 (табл. 2). Добавляют 8 г компонента Б, состав 3 (табл. 3). Компоненты тщательно перемешивают 2-3 мин, и герметик передают для технологического применения.

Пример 10

Приготовление теплопроводящего герметика. Для приготовления герметика в технологическую емкость вносят 100 г компонента А, состав 7 (табл. 2). Добавляют 6 г компонента Б, состав 1 (табл. 3). Компоненты тщательно перемешивают 2-3 мин, и герметик передают для технологического применения.

Пример 11

Приготовление теплопроводящего герметика. Для приготовления герметика в технологическую емкость вносят 100 г компонента А, состав 8 (табл. 2). Добавляют 12 г компонента Б, состав 8 (табл.3). Компоненты тщательно перемешивают 2-3 мин, и герметик передают для технологического применения.

Пример 12

Приготовление теплопроводящего герметика. Для приготовления герметика в технологическую емкость вносят 100 г компонента А, состав 2 (табл. 2). Добавляют 4 г компонента Б, состав 7 (табл. 3). Компоненты тщательно перемешивают 2-3 мин, и герметик передают для технологического применения.

Разработка заявляемого теплопроводящего герметика связана с необходимостью выполнения одновременно нескольких требований.

Теплопроводящие свойства герметика должны по значениям быть не ниже, чем у материала прототипа при необходимом уровне физико-механических и диэлектрических свойств. Вместе с тем должна быть обеспечена технологичность применения герметика, то есть сочетание оптимального уровня вязкотекучих свойств, жизнеспособности и времени полного отвержения.

Как следует из представленного выше описания, данных приведенных таблиц и конкретных примеров, осуществлен выбор совмещаемых компонентов и их количественных соотношений в составе каждой из двух частей герметика (компонент А и компонент Б). Оптимальное соблюдение основных условий достигается тем, что герметик на основе силиконового каучука, наполнителей, пластификаторов и системы отверждения состоит из двух частей. Основа, компонент А, состоит из смеси низкомолекулярного силиконового каучука, силиконового олигомера, наполнителей: карбида кремния и оксида алюминия в форме электрокорунда. Компонент Б вводится в контакт с компонентом А и представляет собой систему отверждения, включающую этилсиликат, оловоорганическую соль и дополнительно силиконовый олигомер.

При разработке диэлектрического теплопроводящего герметика с повышенной теплопроводностью учтены факторы физической и химической совместимости применяемых компонентов, их количественные пределы в составе основы теплопроводящего герметика (компонент А), и в составе получаемого вулканизата теплопроводящего герметика с целью достижения необходимого и достаточного уровня основных характеристик.

Применение в качестве исходной полимерной основы низкомолекулярных каучуков СКТН позволяет обеспечить сочетание термической стабильности и морозостойкости вулканизатов теплопроводящего герметика при сохранении эластичности в широком интервале температур. При применении каучуков молекулярной массы со значением менее 20000 не достигается необходимая прочность вулканизатов теплопроводящего герметика. При применении каучуков молекулярной массой со значением более 50000 вследствие повышенной вязкости не удается ввести необходимое количество теплопроводящего наполнителя. Таким образом, применение каучука низкомолекулярного силиконового, выбранного из СКТН марки А и СКТН марки Б, позволяет обеспечить термическую устойчивость теплопроводящего герметика и его устойчивость к действию пониженных температур в широком диапазоне эксплуатационных условий, предусмотренных для изделий электронной техники и радиоэлектронной аппаратуры, а так же необходимую наполняемость полимерной матрицы компонента А наполнителями. Массовое соотношение ингредиентов компонента А позволяет сохранить вязкотекучие свойства компонента А в широком интервале технологических условий. Выбор карбида кремния и оксида алюминия (электрокорунда) в качестве наполнителей определяется их значительной теплопроводностью в сочетании с достаточной степенью физико-механических свойств вулканизатов теплопроводящего герметика за счет усиливающих и структурирующих свойств этих наполнителей. Силиконовые олигомеры выполняют функции активных разбавителей, снижающих исходную вязкость герметика, а также пластификаторов, повышающих эластичность вулканизатов. Применение силиконовых олигомеров в количествах меньше указанных не эффективно. Применение в количествах больше указанных может отрицательно повлиять на термостойкость герметика и привести к частичному их выделению из объема вулканизата теплопроводящего герметика при длительном нагреве. Применение карбида кремния и оксида алюминия (электрокорунда) в меньших количествах, чем приведено в описании для компонента А, не эффективно для сохранения необходимого уровня теплопроводности и физико-механических свойств. Применение в количествах, больше указанных может привести к нежелательному увеличению вязкости теплопроводящего герметика и сохранению воздушных включений в объеме его вулканизата. Это могло бы привести к потере необходимой технологичности герметика. Сочетание составляющих частей компонента А и компонента Б в представленном диапазоне соотношений позволяет достигнуть необходимой эффективности отверждения теплопроводящего герметика и его низкой исходной вязкости при требуемом времени жизнеспособности. При количественном соотношении компонента А и компонента Б более 100:4 не удается достигнуть необходимой текучести теплопроводящего герметика и его оптимального уровня технологических свойств. При количественном соотношении компонента А и компонента Б менее 100:12, хотя и достигается хорошая текучесть, не удается обеспечить необходимую по времени жизнеспособность и эластичность вулканизатов теплопроводящего герметика.

Приведенные доводы, подверженные данными таблиц и примеров, позволяют считать, что свойства компонентов заявляемого теплопроводящего герметика и пределы их содержания в его составе, а также их количественные соотношения в подготовленных компонентах герметика являются оптимальными. Это дает возможность обеспечить требуемый уровень теплопроводности, а также других технологических и эксплуатационных характеристик. Анализ приведенных данных по заявляемому теплопроводящему герметику и достигнутых количественных характеристик позволяет считать техническую задачу изобретения решенной.