Теплоизоляционный материал. Виды и применение. Особенности

Теплоизоляционный материал применяется для утепления различных конструкций. Он имеет свойство низкой теплопередачи, поэтому его использование позволяет повысить термическое сопротивление объектов.

Теплоизоляция является одним из приоритетных направлений при строительстве, поскольку ее применение позволяет многократно повысить эксплуатационные характеристики зданий. Постройка с достаточным количеством утеплителя гораздо меньше промерзает зимой, что снижает затраты на его отопление. Также она менее склонна к перегреву летом, сохраняя внутри комфортную температуру, что экономит ресурс кондиционерного оборудования.

Наличие теплоизоляции дает возможность избежать резких скачков температуры в помещении. Это очень важно, если внутри помещений применяется чувствительный к этому параметру отделочный материал, к примеру, древесина или отдельные виды пластика, в том числе и ПВХ используемый для производства натяжных потолков. Отсутствие существенных колебаний температуры дает возможность убрать благоприятные условия для образования конденсата. Именно применение теплоизоляции исключает появление сырости и развития плесени. Конечно при условии, что влага не образовывается внутри помещения слишком интенсивно от других факторов или накапливается в результате отсутствия гидроизоляции между фундаментом и фасадными стенами.

Сырость на стенах приводит к отслаиванию отделочных материалов. Как следствие наблюдается срывание обоев, а также тяжелой керамической плитки. Переизбыток влаги от отсутствия достаточной теплоизоляции также приводит к расширению изделий из дерева. Как следствие наблюдается коробление напольного покрытия, деформация дверей, от чего они неплотно входят в дверную коробку, и так далее.

Стоит также отметить, что теплоизоляционные материалы помимо своего прямого предназначения обладают звукоизоляционными свойствами. Конечно, их эффективность не столь высока как у специализированных для этой цели покрытий, но вполне достаточная, чтобы уменьшить передачу громких звуков.

Применяемые теплоизоляционные материалы

Существует довольно широкий ассортимент предлагаемых на рынке материалов, которые могут применяться в качестве удачного утеплителя. Среди них оптимальный баланс между стоимостью и эффективностью имеют:

• Минеральная вата.
• Пенопласт.
• Пенополистирол.
• Пеноплекс.
• Вспененный пенополиэтилен.
• Пенополиуретан.

Минеральная вата

Это дешевый, при этом довольно качественный теплоизоляционный материал, который может применяться для утепления потолков, крыш, полов и стен. Минеральная вата при нажатии сжимается, поэтому при работе с ней необходимо предварительно создать обрешетку, после чего уложить ее между лагами. Сверху нее применяется облицовочный, кровельный или напольный материал. Безусловным преимуществом ваты помимо теплоизоляционных свойств является и звукоостанавливающий эффект. Минеральная вата не горит, поэтому ее использование позволяет повысить пожарную безопасность.

Крупным недостатком минеральной ваты является склонность к слеживанию. Если она используется на потолке или полу, то служит действительно долго, но вот плиты закрепленные на стенах начинают постепенно усаживаться. Как следствие вверху образовываются открытые зазоры, так называемые мостики холода. В связи с этим производители минеральной ваты зачастую рекомендуют ее менять буквально каждые 7 лет, в противном случае теплоизоляция будет постепенно работать все хуже и хуже.

Пенопласт

Это также бюджетный теплоизоляционный материал, который можно использовать в любом утеплении. Стоит отметить, что пенопласт может монтироваться мокрым и сухим способом. Поскольку он склонен к сжатию при давлении, то в случае его использования для теплоизоляции стен лучше всего работать с фасадом. Оштукатуренный пенопласт, армированный стекловолоконной сеткой, вполне справится с нагрузками, которые на него могут оказываться на фасаде. Но вот внутри помещения такая стена долго не прослужит, поскольку на нее постоянно будут опираться, навешивать шкафчики, полки, картины, фотографии и так далее.

Плотность пенопласта довольно низкая, поэтому при проведении теплоизоляции обычно используются листы с толщиной 5-10 см. К неоспоримым достоинствам применения этого материала является возможность обрезки обыкновенным монтажным ножом без необходимости использования пилы. Главным недостатком пенопласта является его склонность к разрушению. При механическом воздействии из него с легкостью выпадают вспененные пузырьки.

Пенополистирол и пеноплекс

Эти два материала практически идентичны по своим свойствам. Их можно сравнить с пенопластом, но имеющим очень плотную структуру. Пенополистирол и пеноплекс можно использовать для мокрого утепления пола. Их листы раскладываются, после чего сверху заливается бетонная стяжка. Эти материалы легко режутся с помощью монтажного ножа, ручной ножовки, электрического лобзика или циркулярной пилы.

Пенополистирол и пеноплекс лучше пенопласта благодаря более высокой плотности, поэтому они менее склонны к разрушению при механическом воздействии. Кроме того они эффективнее останавливают теплообмен, поэтому такой теплоизоляционный материал может применяться с использованием листов меньшей толщины. Работая с пеноплексом нужно учитывать, что он имеет очень низкую адгезию. В связи с этим, если его применять для утепления стен, то сделать дальнейшую штукатурку будет сложно. Чтобы повысить адгезию листов их придется обработать грунтовкой бетоноконтакт. Штукатурные работы придется проводить с применением стекловолоконной сетки по всему периметру, а не только по линиям стыков.

Данные материалы обладают низкой огнестойкостью, а также при возгорании выделяют токсические продукты сгорания. Они требуют аккуратного обращения при работе, поскольку весьма хрупки.

Вспененный пенополиэтилен

Это современный материал, который представляет собой пористую структуру из полиэтилена. Зачастую одна его сторона покрыта алюминиевой фольгой. Часто он используется в качестве подложки при укладывании напольных покрытий, в частности ламината и линолеума. Этот материал имеет малую толщину при действительно отличных теплоизолирующих свойствах. Его эффективности в 20 раз выше, чем у минеральной ваты. Таким образом, при толщине в 1 см он будет обладать такими же свойствами как 20 см ваты.

Неоспоримым достоинством вспененного пенополиэтилена является хорошая пароизоляция. Такой материал раскладывается по поверхности, а его стыки склеиваются специальным армированным скотчем с отражающей поверхностью. Вспененный пенополиэтилен может использоваться для проведения любых теплоизоляционных работ, а также наматываться на трубы для их утепления.

Пенополиуретан

Этот теплоизоляционный материал в отличие от предыдущих видов предлагается не в виде рулонов или плит, а в жидком состоянии. Он выдувается на поверхность, после чего быстро увеличивается в объеме и застывает. Благодаря этим свойствам его можно наносить на любые поверхности даже в труднодоступные места. Полиуретановый утеплитель обычно распыляется между лагами пола, крыши и так далее. После этого сверху закрепляются отделочные материалы.

Пенополиуретан имеет огромный ресурс, обладает шумоизоляционными свойствами и высокой адгезией к любым поверхностям. Бесстыковая технология нанесения предотвращает образование мостиков холода. Такое решение при точном соблюдении технологии монтажа можно назвать самым эффективным. К сожалению, для работы с пенополиуретаном требуется применение специализированного оборудования, стоимость которого очень высока. Как следствие работать самостоятельно с ним не удастся. Потребуется обращаться в компании, предоставляющие подобные услуги теплоизоляции.

Где применяется теплоизоляция

Теплоизоляционный материал используется для обеспечения утепление различных поверхностей:

• Стен.
• Кровли.
• Подвала и пола.
• Потолка.

Утепление стен

Довольно часто применяемые материалы для строительства стен имеют недостаток в виде склонности к промерзанию зимой, а также передачи нагрева внутрь помещения летом. Для устранения данной проблемы применяется теплоизоляция. Она может проводиться как внутри помещения, так и снаружи. Естественно, намного эффективней делать ее на фасадной стене. Большинство материалов обычно имеют толщину как минимум в 4-5 см, поэтому закрепляя их на внутренней стене, помещение будет уменьшаться. Вопрос утепление стен весьма важен, поскольку именно через них происходит потеря до 40% тепла уходящего из здания.

На стенах утеплительный материал может фиксироваться мокрым или сухим способом. Мокрый предусматривает приклеивание с применением специализированных растворов в виде клеев или цементных смесей. Сухой способ еще называют вентилируемый. На поверхность стены монтируется обрешетка, а теплоизоляционный материал укладывается между ней, после чего осуществляется облицовка закрывающими материалами. Внутри помещение применяется гипсокартон, а на фасадах металлопрофиль и так далее.

Утепление кровли

Через кровлю может улетучиваться до 20% тепла. Утепление особенно важно при устройстве мансардной крыши, когда подкровельное пространство используется в качестве эксплуатируемого помещения. Применив теплоизоляционный материал на кровле, можно уменьшить перегрев здания летом. Это особенно актуально, если в качестве кровельного материала применяются металлические листы в виде профлиста, металлочерепицы и так далее. При устройстве крыш утеплитель фиксируется между лагами.

Утепление подвала и пола

Это в первую очередь актуально для одноэтажных построек, а также помещений на первых этажах многоярусных домов. Применяемые в этом случае теплоизоляционные материалы укладываются между бетонной стяжкой и облицовочным напольным покрытием. Отдельные виды теплоизоляционных решений могут применяться перед заливкой стяжки. Если осуществляется укладка напольной доски по лагам, то утеплитель распространяется между ними.

Утепление потолков

В одноэтажных зданиях, а также на последних этажах многоэтажных построек осуществляется теплоизоляция потолков. В большинстве случаев ее проще проводить на чердаке, используя такой же способ, как применяется при утеплении пола. Таким образом удастся сэкономить на материалах и обойтись более простой технологией. Также, когда нужно работать именно с потолком, то закреплять теплоизоляционный материал можно мокрым способом или зафиксировать его на обрешетке, в дальнейшем скрыв навесным или натяжным потолком.

В отдельных случаях проводить теплоизоляцию именно потолка, а не пола чердака, даже лучше, особенно если высота помещения чрезмерно большая. Уложенный теплоизоляционный материал позволит забрать немного высоты потолков, тем самым уменьшив фактический объем помещения для отопления.

Похожие темы:

• Стекловолокно. Виды и применение. Производство и особенности
• Строительный материал. Виды и применение. Особенности
• Холкон. Свойства и изготовление. Применение и особенности
• Синтепон. Свойства и применение. Плюсы и минусы. Особенности
• Холлофайбер. Свойства и структура. Отличия от аналогов. Особенности

Теплоизоляция: основные характеристики

17.10.2017Теплоизоляционными называют строительные материалы и изделия, предназначенные для тепловой изоляции конструкций зданий и сооружений, а также различных технических применений. Основной особенностью теплоизоляционных материалов является их высокая пористость и, следовательно, малая средняя плотность и низкая теплопроводность. Применение теплоизоляционных материалов в строительстве позволяет снизить вес конструкций, уменьшить потребление конструкционных строительных материалов (бетон, кирпич, древесина и др.). Теплоизоляционные материалы существенно улучшают комфорт в жилых помещениях. Важнейшей целью теплоизоляции строительных конструкций является сокращение расхода энергии на отопление здания. Основной путь снижения энергозатрат на отопление зданий лежит в повышении термического сопротивления ограждающих конструкций с помощью теплоизоляционных материалов (ТИМ).
С 2000 года нормативные требования по расчётному сопротивлению теплопередачи ограждающих конструкций в России увеличены в среднем в 3,5 раза и практически сравнялись с аналогичными нормативами в Финляндии, Швеции, Норвегии, Северной Канаде, других северных странах. Соответственно выросло значение (ТИМ).

Основные технические характеристики

Свойства теплоизоляционных материалов применительно к строительству характеризуются следующими основными параметрами. Важнейшей технической характеристикой ТИМ является теплопроводность — способность материала передавать теплоту сквозь свою толщу, так как именно от нее напрямую зависит термическое сопротивление ограждающей конструкции. Количественно определяется коэффициентом теплопроводности λ, выражающим количество тепла, проходящее через образец материала толщиной 1 м и площадью 1 м2 при разности температур на противолежащих поверхностях 1°С за 1 ч. Коэффициент теплопроводности в справочной и нормативной документации имеет размерность Вт/(м·°С). На величину теплопроводности теплоизоляционных материалов оказывают влияние плотность материала, вид, размеры и расположение пор (пустот) и т.д.Сильное влияние на теплопроводность оказывает также температура материала и, особенно, его влажность. Методики измерения теплопроводности в различных странах значительно отличаются друг от друга, поэтому при сравнении теплопроводностей различных материалов необходимо указывать, при каких условиях проводились измерения.
Плотность — отношение массы сухого материала к его объему, определенному при заданной нагрузке (кг/м3).
Прочность на сжатие — это величина нагрузки (КПа), вызывающей изменение толщины изделия на 10%.
Сжимаемость — способность материала изменять толщину под действием заданного давления. Сжимаемость характеризуется относительной деформацией материала под действием нагрузки 2 КПа.
Водопоглощение — способность материала впитывать и удерживать в порах (пустотах) влагу при непосредственном контакте с водой. Водопоглощение теплоизоляционных материалов характеризуется количеством воды, которое впитывает сухой материал при выдерживании в воде, отнесенным к массе или объему сухого материала. Для снижения водопоглощения ведущие производители теплоизоляционных материалов вводят в них гидрофобизирующие добавки.
Сорбционная влажность — равновесная гигроскопическая влажность материала при определенных условиях в течение заданного времени. С повышением влажности теплоизоляционных материалов повышается их теплопроводность.
Морозостойкость — способность материала в насыщенном влагой состоянии выдерживать многократное попеременное замораживание и оттаивание без признаков разрушения. От этого показателя существенно зависит долговечность всей конструкции, однако, данные по морозостойкости не приводятся в ГОСТ или ТУ.
Паропроницаемость — способность материала обеспечивать диффузионный перенос водяного пара. Диффузия пара характеризуется сопротивлением паропроницаемости (кг/м2·ч· Па). Паропроницаемость ТИМ во многом определяет влагоперенос через ограждающую конструкцию в целом. В свою очередь последний является одним из наиболее существенных факторов, влияющих на термическое сопротивление ограждающей конструкции. Во избежание накопления влаги в многослойной ограждающей конструкции и связанного с этим падения термического сопротивления паропроницаемость слоёв должна расти в направлении от тёплой стороны ограждения к холодной.
Воздухопроницаемость. Теплоизолирующие свойства тем выше, чем ниже воздухопроницаемость ТИМ. Мягкие изоляционные материалы настолько хорошо пропускают воздух, что движение воздуха приходится предотвращать путем применения специальной ветрозащиты. Жесткие изделия, в свою очередь, обладают хорошей воздухонепроницаемостью и не нуждаются в каких-либо специальных мерах. Они сами могут применяться в качестве ветрозащиты. При устройстве теплоизоляции наружных стен и других вертикальных конструкций, подвергающихся напору ветра, следует помнить, что при скорости ветра 1 м/с и выше целесообразно оценить необходимость ветрозащиты.
Огнестойкость — способность материала выдерживать воздействие высоких температур без воспламенения, нарушения структуры, прочности и других его свойств. По группе горючести теплоизоляционные материалы подразделяют на горючие и негорючие. Это является одним из важнейших критериев выбора теплоизоляционного материала.

Общие принципы устройства теплоизоляции

1. Теплоизоляция строительных конструкций должна быть запроектирована так, чтобы выполнять возложенные на нее функции в течение всего жизненного цикла конструкции.

2. В проекте должны быть описаны способы укладки и защиты теплоизоляционных материалов для обеспечения заданной теплопроводности. Изоляционный материал должен заполнять весь предусмотренный проектом объем и выдерживать нагрузки, возникающие как при укладке, так и в процессе эксплуатации. При необходимости проект должен содержать описание способов заполнения стыковочных швов.

3. Слой теплоизоляционного материала с подветренной стороны здания необходимо защищать от ветра. Ветрозащитный слой должен покрывать весь изоляционный материал и быть настолько плотным, чтобы препятствовать проникновению в строительные конструкции или сквозь них воздушных потоков, существенно снижающих изоляционные свойства материала. Особое внимание следует обратить на места соединения наружных стен и стен фундамента, наружных стен и чердачных перекрытий, на углы наружных стен и коробки проемов.

4. Если в многослойной ограждающей конструкции паропроницаемость слоёв уменьшается по мере движения от тёплой стороны к холодной, существует опасность накопления внутри конструкции конденсирующейся влаги. Для минимизации этого эффекта на теплой стороне ограждения устраивают специальный пароизоляцонный барьер, паропроницаемость которого не менее чем в несколько раз выше, чем у наружных слоёв. Швы и соединения пароизоляционного барьера должны быть загерметизированы.

5. Ограждающая конструкция должна быть спроектирована так, чтобы создать как можно более благоприятные условия для свободного выхода за её пределы паров неизбежно проникающей в неё влаги. При необходимости защиты теплоизоляционных материалов от ветра или атмосферной влаги целесообразно использовать специальные «дышащие» мембраны, прозрачные для выхода водяных паров.

6. Исследования показали, что многие негативные явления, возникающие в многослойных ограждающих конструкциях (плесень, гниль, формальдегид, радон и др.), как правило, связаны с сыростью. Залог надёжной работы ограждающей конструкции — учёт на стадии проектировании всего комплекса вопросов тепломассопереноса. В проекте должны быть описаны способы укладки и защиты теплоизоляционных материалов для обеспечения заданной теплопроводности. Изоляционный материал должен заполнять весь предусмотренный проектом объем и выдерживать нагрузки, возникающие как при укладке, так и в процессе эксплуатации. При необходимости проект должен содержать описание способов заполнения стыковочных швов.

Принцип рассеивания тепла TIM (материал теплового интерфейса) | TECH TIMES

Содержание

• 1 ТИМ заполняют воздушные зазоры для улучшения теплопроводности
• 2 Теплопроводность ТИМ зависит от физических свойств и плотности наполнителей
• 3 Как увеличить норму упаковки наполнителя
• 4 Вибрация решетки из углеродного волокна, обеспечивающего высокую теплопроводность
• 5 Теплопроводный лист из углеродного волокна
• 6 Линейка теплопроводных листов в Dexerials

TIM заполняют воздушные зазоры для улучшения теплопроводности

TIM (материал теплового интерфейса) относится к теплопроводному материалу, вставленному между компонентами для эффективного рассеивания тепла, выделяемого внутри электронных устройств. Обычно он вставляется между теплогенерирующим элементом, таким как интегральная схема (ИС), и теплорассеивающим компонентом, таким как распределитель тепла или радиатор.

Поверхность микросхемы и радиатора может выглядеть плоской. Однако на микроскопическом уровне поверхность имеет мельчайшие неровности, такие как царапины, возникшие в процессе производства. Таким образом, между микросхемой и радиатором будут небольшие воздушные зазоры, даже если они находятся в непосредственном контакте. Поскольку воздух является отличным теплоизолятором (низкая теплопроводность), тепло, выделяемое интегральной схемой, распространяется таким образом, чтобы избежать воздушного зазора. В результате тепло не может быть эффективно рассеяно наружу. TIM является решением этой проблемы, поскольку он заполняет воздушные зазоры между двумя неровными поверхностями. Таким образом, TIM, который также обладает хорошей теплопроводностью, создает тепловой путь и эффективно отводит тепло от ИС наружу.

Теплопроводность ТИМ зависит от физических свойств и плотности наполнителей

Мягкая смола

используется в качестве основного компонента TIM, поскольку она должна быть достаточно мягкой, чтобы заполнить неровности поверхности. Однако, поскольку теплопроводность смолы низкая, для повышения общей теплопроводности ТИМ добавляют наполнители. Теплопроводность сильно варьируется в зависимости от физических свойств и плотности наполнителя. Нитрид бора (BN), нитрид алюминия (AlN) и оксид алюминия (Al ₂ O ₃ ) являются типичными наполнителями, используемыми в теплопроводных листах.

Теплопередача в ТИМ происходит через точки контакта наполнителей, как показано ниже. Поэтому лучшие характеристики достигаются за счет более плотно упакованных наполнителей.

На следующем рисунке показана зависимость между теплопроводностью. и содержание наполнителя при использовании в качестве наполнителя оксида алюминия (Al ₂ O ₃ ) и нитрида алюминия (AlN). Теплопроводность резко возрастает, когда объем содержания наполнителя превышает 80%.

Как увеличить норму упаковки наполнителя

Скорость уплотнения увеличивается за счет заполнения промежутков между сферическими наполнителями большего диаметра сферическими наполнителями меньшего диаметра.

Аналогией этому является помещение больших круглых камней в стеклянную бутылку и заполнение промежутков более мелкими камешками и песком. В результате тепло рассеивается эффективно.

Идеальная форма наполнителя — это однородная сфера, потому что неравномерная форма не может обеспечить высокую степень упаковки. Кроме того, теплопроводность варьируется в зависимости от размера частиц и доли наполнителя, что было определено в ходе предыдущих исследований.

На следующем рисунке показана теплопроводность различных материалов, используемых в качестве теплопроводящих наполнителей, по отношению к соответствующим значениям водостойкости, токсичности и стоимости. Все это важные факторы при использовании электронных устройств. Соответственно, оксид алюминия (Al ₂ O ₃ ) часто выбирают из керамических оксидов, а нитрид алюминия (AlN) выбирают из нитридов. Углерод – еще один материал с высокой теплопроводностью. Dexerials самостоятельно разработала и произвела серийно TIM, в котором используется углеродное волокно.

Решетчатая вибрация углеродного волокна, приводящая к высокой теплопроводности 

В большинстве случаев электропроводность металла пропорциональна его теплопроводности. Это сбалансированное соотношение связано с тем, что перенос в металлах осуществляется свободными электронами, ответственными за электрическую проводимость. Поскольку электричество протекает через углеродное волокно, можно было бы предположить, что теплопроводность происходит за счет действия свободных электронов, но это не так. Как показано на графике ниже, электропроводность углеродного волокна значительно отличается от электропроводности металлов. Следовательно, его теплопроводность обусловлена ​​не движением свободных электронов, а вибрацией решетки прочных атомов.

Теплопроводящий лист из углеродного волокна, тип

При использовании углеродного волокна в качестве наполнителя TIM следует помнить, что оно обладает анизотропной теплопроводностью, то есть физическим свойством, при котором теплопроводность материала различается в зависимости от его направления.

Углеродное волокно, имеющее длинную, тонкую структуру, похожую на волос, обладает высокой теплопроводностью в продольном направлении, но лишь в несколько сотых от теплопроводности по диаметру. Поэтому для получения высокой теплопроводности при использовании углеродного волокна в качестве наполнителя необходимо выровнять ориентацию углеродного волокна в направлении желаемой теплопередачи.

На рисунке слева ниже показано внутреннее изображение теплопроводящего листа (силиконового или акрилового), заполненного сферическими наполнителями. Как объяснялось ранее, когда тепло передается через сферические наполнители, оно проходит через точки контакта между наполнителями. Теплоотдача в месте контакта ниже, чем внутри наполнителя, где тепло может передаваться за счет вибрации решетки. Как показано на рисунке ниже, если тепло передается между четырьмя наполнителями, тепло подвергается более высокому тепловому сопротивлению в трех разных точках контакта.

С другой стороны, если длинные углеродные волокна, похожие на волосы, вертикально выровнены внутри листа, этот подход может значительно уменьшить точки контакта.

Компания Dexerials разработала уникальную технологию для выравнивания этих углеродных волокон в определенном направлении, заливки их в смолу и производства высокоэффективных теплопроводных листов.

Линейка теплопроводящих листов в Dexerials

При выборе теплопроводного листа важными факторами являются как теплопроводность, так и гибкость. Теплопроводящие листы стандартного типа имеют различные уровни гибкости, от очень мягких до очень твердых, чтобы соответствовать широкому спектру применений и процессов сборки. Также доступны несколько высокоэффективных листов с высокой теплопроводностью свыше 10 Вт/м･K. Dexerials может посоветовать наиболее подходящий продукт из нашей обширной линейки, как показано ниже, после дальнейшего запроса.

Теплопроводность материалов теплового интерфейса (ТИМ) и диэлектриков

Измерение теплопроводности ТИМ

Прибор C-Therm Trident Thermal Conductivity Instrument использует три метода измерения теплопроводности, что обеспечивает большую гибкость в зависимости от типа образца ТИМ

Для измерения теплопроводности материалов теплопроводности можно применять различные методы , такие как модифицированный источник переходных процессов C-Therm (MTPS) и источник переходных процессов (TPS). C-Therm Trident является идеальным решением в этом контексте, поскольку он позволяет использовать оба метода в одном приборе.

MTPS

Метод MTPS компании C-Therm, соответствующий стандарту ASTM D7984, обеспечивает уникальные возможности измерения TIM, позволяя тестировать не только твердые вещества, но и жидкости, порошки и пасты в широком диапазоне температур (-50ºC). до 200ºС). Это позволяет тестировать все перечисленные форматы TIM с использованием единого метода «plug-and-play».

Жидкий теплоноситель для испытаний на теплопроводность Trident с MTPS

TPS

В методе Flex TPS используется двусторонний датчик для одновременного определения теплопроводности, температуропроводности и удельной теплоемкости материалов на основе одного измерения в соответствии со стандартом ISO 22007-2. Эта методика обеспечивает пользователю наибольшую гибкость и контроль над экспериментальными параметрами и позволяет избежать использования каких-либо контактных агентов, однако рекомендуется для более опытных пользователей.

Особое внимание – сжатие

ТИМы охватывают широкий спектр типов материалов, но часто являются сжимаемыми, что создает дополнительную сложность, когда речь идет о правильной характеристике их теплопроводности. Многие методы термической характеристики основаны на физическом контакте между образцом и датчиком, который достигается с помощью некоторой формы приложения силы. Величина приложенной силы может привести к изменениям в структуре ТИМ, уплотняющейся под действием приложенной нагрузки. Большинство TIM характеризуются контролируемым или заданным диапазоном сжатия, поскольку хорошо известно, что это влияет на тепловые характеристики. Поэтому важно, чтобы используемый метод мог контролировать это, чтобы гарантировать, что данные собираются таким образом, чтобы не исказить результаты.

Хотя такие методы, как двусторонняя TPS, могут использоваться для характеристики TIM, они не могут быть идеальными во всех ситуациях. В стандарте ISO 22007-2 указано: «Для мягких материалов давление зажима не должно сжимать образец и, таким образом, изменять его свойства теплопередачи», что означает, что ТИМ можно точно протестировать только в «несжатом» состоянии, что может не дать действительно значимых данных. . С другой стороны, MTPS можно использовать в паре с приспособлением для испытаний на сжатие C-Therm (CTA), что позволяет проводить испытания в диапазоне приложенных усилий и состояний сжатия для получения действительно репрезентативных результатов.

Принадлежности для испытания на сжатие

Особое внимание – добавки

Еще один аспект, который следует учитывать при испытании TIM, заключается в том, что во многих случаях в основной материал добавляются наполнители для улучшения тепловых характеристик. Эти добавки могут преобразовать материал в диапазон от < 1 Вт/мК до 10+ Вт/мК. Загрузка и дисперсия наполнителя являются важными факторами, которые необходимо оптимизировать, чтобы конечный продукт не приводил к «горячим точкам» и мог равномерно рассеивать генерируемое тепло.

Электродвигатель с токопроводящим герметиком

Благодаря относительно небольшой активной площади MTPS (диаметр <18 мм) его можно использовать для термокартирования материалов для обеспечения равномерного распределения. Также важно отметить, что MTPS работает на основе предварительно выбранной калибровки. Это уменьшает предвзятость оператора и позволяет проводить быстрое и простое тестирование. Из-за значительного влияния добавок калибровки MTPS могут выходить за установленные пределы для некоторых TIM. Чтобы преодолеть это, калибровки MTPS можно уточнить, вручную введя плотность материала (p) и теплоемкость (Cp), что позволяет действительно точно измерить заполненный TIM. Это входное требование аналогично тому, как работают традиционные методы лазерной вспышки в соответствии с ASTM E1461. Хотя это не требуется во всех случаях, ручной ввод может быть полезен для определенных тестовых сценариев, особенно на более низких уровнях, таких как сертификация продукта.

 

• Тонкопленочные диэлектрические материалы становятся все более распространенными в электронной промышленности, что требует точных тепловых характеристик

• Многие TIM используют наполнители для улучшения характеристик теплопередачи; однако неравномерное распределение этих частиц может резко изменить термическое поведение.

• TIM уже давно используются в мелкой электронике, от процессоров до телефонных аккумуляторов. Однако, поскольку батареи электромобилей требуют больших объемов, оседание частиц становится серьезной проблемой.

• Большие объемы заполненных TIM в конечном итоге будут подвергаться осаждению, когда заполненные частицы собираются у дна, что приводит к резкому изменению тепловых характеристик.

• MTPS можно использовать для контроля степени осаждения в целях контроля качества; со временем теплопроводность резко возрастает по мере того, как наполнитель оседает по направлению к датчику.

TIM Fundamentals

По мере того, как электроника становится все меньше и мощнее, проблемы, связанные с управлением температурным режимом, становятся все более насущными, и необходимо изучить варианты охлаждения и рассеивания тепла электроники. Материалы теплового интерфейса (TIM) — это распространенный материал, используемый в электронике для передачи тепла от горячих компонентов к охлаждающему оборудованию. TIM предназначены для заполнения воздушных зазоров, которые действуют как теплоизоляция, чтобы обеспечить улучшенную теплопередачу, более низкое тепловое сопротивление и в целом лучшее охлаждение электроники.

Представление двух поверхностей (A, вверху; B внизу), находящихся в контакте с тепловым потоком через интерфейс без (слева) и с нанесенным (справа) материалом для термоинтерфейса.

Рассеивание тепла также имеет решающее значение для электромобилей (EV), особенно для систем управления температурным режимом (TMS) вокруг электроники и аккумуляторов. Без надлежащего управления температурным режимом литий-ионные аккумуляторы могут перегреваться во время зарядки или разрядки, а также может происходить неравномерное распределение температуры внутри аккумуляторных блоков, что напрямую влияет на оптимальную производительность. Таким образом, здесь могут быть применены те же принципы, поскольку ТИМ играют важную роль в эффективности ТМС, обеспечивая эффективный отвод тепла от ключевых компонентов за счет заполнения воздушных зазоров и снижения межфазного теплового сопротивления между источниками тепла и рассеиванием. компоненты.

Таким образом, TIM выступают в качестве промежуточного звена, помогая в передаче тепла, обычно между тепловыделяющим, чувствительным к температуре компонентом и радиатором. Их можно найти в различных форматах, включая пасты/смазки, клеи, герметики, материалы с фазовым переходом (PCM), прокладки для тепловых зазоров и многое другое. Правильный выбор TIM будет зависеть от множества факторов, из которых температурные условия, совместимость материалов и доступность размера/пространства можно рассматривать как наиболее важные. Однако во всех случаях теплопроводность играет решающую роль в исследованиях и разработке новых материалов для тепловых интерфейсов. Исследователи, ищущие более эффективные ТИМ, создают материалы с высокими значениями теплопроводности для улучшения теплопередачи между слоями. В этом контексте теплопроводность может использоваться в качестве ориентира для количественной оценки ожидаемой эффективности рассеивания тепла. Поэтому важно выбрать точный метод тепловых характеристик как для улучшения производительности, так и для предотвращения теплового разгона.

Основные моменты

Тепловой импеданс и кажущаяся теплопроводность

Диаграмма TIM-тестера из ASTM D5470, стационарный метод с образцом, помещенным между горячей и холодной пластинами для измерения теплового импеданса и кажущейся теплопроводности

Тепловой импеданс представляет собой комбинацию термического сопротивления и теплового контактного сопротивления. Это часто измеряется с помощью тестера TIM (ASTM D5470), изображенного выше. С помощью этих данных можно рассчитать кажущуюся теплопроводность; однако, хотя тепловое сопротивление может быть полезным свойством, кажущаяся теплопроводность может вводить в заблуждение. Тестеры TIM требуют очень специфических требований к давлению, перепаду температур и измерению толщины образца, что затрудняет получение данных в репрезентативных условиях. Кроме того, поскольку TIM Tester является методом стационарного режима, он сообщает о средней теплопроводности образца, что означает, что он не может обнаружить неоднородные свойства. Это особенно важно для гетерогенных ТИМ, так как осаждение частиц может вызвать заметные различия в теплопроводности верхней и нижней частей образца. Эти неравномерные свойства могут вызвать проблемы с производительностью и безопасностью, если они не будут обнаружены. Узнайте больше о тепловом импедансе здесь.

Смазка с теплопроводностью и высоким электрическим сопротивлением

В основе материалов для термоинтерфейса лежит использование полимерной основы, такой как силиконовое масло или эпоксидная смола, и добавление наполнителей с высокой теплопроводностью, таких как керамика или металлы. Это конкретное исследование посвящено использованию наполнителя на основе сплава галлия из-за его высокой теплопроводности (39 Вт/мК в чистом виде и 13,6 Вт/мК в окисленном)

Были протестированы четыре различные смеси с фракциями жидкого металла 60%, 71,4% , 77,8% и 81,8%. На приведенном ниже графике показаны экспериментально полученные значения теплопроводности жидкометаллических полисмазок с использованием метода MTPS компании C-Therm.

Рис. 1. Экспериментально измеренная (с использованием метода C-Therm MTPS) и теоретически рассчитанная теплопроводность термопасты LMP [1]

Эти значения показывают, что добавка жидкого металла значительно улучшает теплопроводность смазка для термоинтерфейса.

[1] Мэй С., Гао Ю., Дэн З. и Лю Дж. (24 января 2014 г.). «Термопроводящая и обладающая высоким электрическим сопротивлением смазка за счет гомогенного диспергирования капель жидкого металла внутри метилсиликонового масла». КАК Я. Дж. Электрон. Упак. март 2014 г.; 136(1): 011009.

Термопаста

Термопасты/смазки — это давние традиционные ТИМ, используемые во многих электронных устройствах. Как и в случае с любым TIM, они действуют как промежуточное звено, помогая в передаче тепла, обычно между тепловыделяющим, чувствительным к температуре компонентом и радиатором. Удаляя пустое пространство (воздух), TIM обеспечивает лучший путь для теплового потока, тем самым снижая общую тепловую нагрузку на систему.

Теплопроводность этих нетвердых материалов может быть утомительно измерять с помощью более традиционных методов измерения. Следующие данные демонстрируют простоту и точность метода модифицированного плоскостного источника переходных процессов (MTPS) для измерения стандартной термопасты.

С помощью MTPS было выполнено всего пять измерений, и сообщается среднее значение. Все испытания проводились в условиях окружающей среды. По сравнению с эталонным значением (0,735 Вт/мК) результаты MTPS находятся в пределах 6%, что свидетельствует о хорошем согласии.

Осаждение частиц в больших объемах

По мере того, как электромобили становятся все более распространенными на рынке, потребность в объемах для TIM резко возрастает. Эти материалы необходимы для управления температурным режимом аккумуляторной батареи, и из-за ее размера они часто выдаются из больших бочек.