열 전도성 필러의 종류와 적용 분야는 무엇인가요?

고무의 열 전도성

고무는 열 전도성이 좋지 않지만 실제 적용 시 사용 요구 사항을 충족하려면 특정 열 전도성이 필요합니다. 열전도율이 있는 고무 제품이 널리 사용되고 있으며, 열전도율의 향상은 고무 제품의 성능에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 전자 부품의 절연 및 열전도 부품에 사용되는 고무 소재의 온도가 2 ℃ 당 상승하면 신뢰성이 10 % 떨어질 수 있습니다. 따라서 열전도율이 높은 고무 복합재는 열을 효과적으로 전달할 수 있어 전자 제품의 고밀도화, 소형화 및 신뢰성 향상에 큰 의미가 있습니다.

또한 타이어에 사용되는 고무 소재는 발열이 적고 열전도가 높은 특성을 가져야합니다. 한편으로는 고무의 열전달 성능을 향상시키고 가황 효율을 높이며 에너지 소비를 줄일 수 있으며, 다른 한편으로 높은 열전도율은 고속 주행 과정에서 타이어에서 발생하는 열을 적시에 유도하고 타이어 본체의 온도를 낮추어 과도한 온도로 인한 성능 저하를 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

자동차가 고속으로 주행하면 휠 속도가 증가함에 따라 마찰열과 변형열이 크게 증가합니다. 열이 충분히 빨리 방출되지 않으면 타이어의 온도가 상승하고 그에 따라 타이어 내부의 공기압이 상승하여 고무 노화를 가속화하고 타이어가 폭발하여 사고로 이어질 수 있습니다.

열 고무의 열 메커니즘

열 고무는 내재 열 고무와 충전 열 고무로 나뉩니다. 고유 열전도율 고무의 합성 공정은 복잡하고 비용이 많이 드는 반면 충전 열전도율 고무의 가격은 저렴하고 가공하기 쉽습니다. 따라서 열전도율 고무는 일반적으로 열전도율이 높은 필러를 충전하여 제조합니다. 충전된 열전도성 고무의 열전도도는 주로 고무 기판, 열전도성 필러 및 공통 인터페이스에 따라 달라집니다.

열 전도성 필러는 주요 열 전도성 캐리어이며, 자체 열 전도성은 입자 또는 섬유 형태에 관계없이 매트릭스 재료보다 훨씬 큽니다. 필러의 열전도도가 작으면 필러가 시스템에 고르게 분산될 수 있지만, 필러 사이에 접촉과 상호 작용이 형성되지 않습니다. 이때 전체 시스템의 열전도도에 대한 필러의 기여도는 크지 않았습니다. 그러나 충전량이 임계점에 도달하면 필러가 서로 접촉하고 상호 작용하기 시작하여 시스템에서 사슬과 네트워크와 유사한 구조를 형성하는데, 이를 열전도 네트워크 사슬이라고 합니다. 열전도 네트워크 체인의 방향이 열 흐름 방향과 평행하면 시스템의 열전도율이 크게 향상됩니다.

열 전도성 필러의 종류

고무 소재의 전기적 특성에 따라 절연형과 비절연형으로 분류할 수 있습니다. 단열 고무는 주로 항공 우주, 무기 및 파워 튜브, 통합 블록, 히트 파이프 및 기타 장비에 사용되는 장비뿐만 아니라 마이크로 전자, 통신 장비, 모터 및 전기 장비에 절연 열 전도성 부품이 필요한 장비에 사용됩니다. 사용되는 주요 단열 필러는 질화물, 탄화물 및 금속 산화물입니다.

단열 비절연 고무는 주로 화학 생산 및 폐수 처리와 같은 열교환기, 태양열 온수기, 배터리 냉각기 등의 분야에서 사용됩니다. 일반적으로 사용되는 필러는 주로 금속 분말, 탄소 섬유, 흑연 및 카본 블랙 등입니다.

그렇다면 가장 일반적인 고무 제품인 타이어는 단열재인가요, 비단열재인가요? 정답은 트럭 타이어는 단열재이지만 비행기 타이어는 전기를 전도해야 한다는 것입니다. 비행 중 항공기는 대기와의 마찰에 의해 동체에 많은 양의 전하를 생성합니다. 항공기에는 정전기를 방출하는 방전 브러시가 있지만 승객이 비행기에서 내릴 때 정전기 방전이 발생할 수 있도록 완전한 방출을 보장 할 수 없으므로 매우 위험합니다. 항공기 타이어가 전기를 전도하면 비행 중 축적된 다량의 정전기를 최대한 방출하여 사고를 줄일 수 있습니다.

"열 전도성 절연 고무"용 열 전도성 필러

* 질화물 및 탄화물 충진

절연성이 좋고 열전도율이 높은 질화물과 탄화물에는 주로 질화 알루미늄, 질화 붕소, 질화 규소, 실리콘 카바이드, 탄화 붕소, 티타늄 카바이드 등이 있습니다. 이러한 무기 세라믹 필러를 고무 매트릭스에 충전하면 종합적인 특성이 우수한 열 전도성 절연 고무를 제조할 수 있습니다.

* 금속 산화물 충전

베릴륨 산화물, 산화 알루미늄, 산화 마그네슘 및 산화 규소와 같은 금속 산화물은 상대적으로 열전도율이 높기 때문에 고무에 충전하여 열전도율과 절연성을 부여하고 우수한 물리적 및 기계적 특성을 가질 수 있습니다.

예를 들어, 알루미나로 채워진 실리콘 고무는 전자 부품의 열 전도성 층을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 알루미나의 양이 실리콘 고무의 3배인 경우 이 소재의 열전도율은 2.72W/(m-K)에 달할 수 있습니다.

* 복합 필러

때로는 단일 필러를 사용하면 응용 분야의 요구 사항을 충족할 수 없으므로 복합 필러를 사용해야 합니다. 예를 들어, 실리콘 고무에 정제된 실리카 분말과 열전도율이 15W/(m-K) 이상인 카본 블랙을 충전하면 열전도율이 0.4W/(m-K) 이상이고 저항률이 1012Ω-cm 이상인 단열 복합 고무를 만들 수 있습니다.

"열전도성 비절연 고무"용 열전도성 필러

* 금속 분말 충전

고무에 알루미늄 분말을 충전하면 고무의 열전도율을 크게 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 종합적인 성능이 우수한 고무 제품을 생산할 수 있습니다. 금속 알루미늄 분말과 스테아린산으로 처리된 수산화 알루미늄 분말을 첨가하여 열전도율 v-0(UL 94) 및 1.09W/(m-K)의 실리콘 고무를 제조할 수 있습니다.

* 카본 블랙, 흑연 및 탄소 섬유 충전

카본블랙과 흑연은 열전도율이 높고, 일부 탄소 섬유는 열전도율이 최대 1200W/(m-K)에 달하므로 고무에 충전하여 열 비절연 고무를 생산할 수 있습니다.

* 복합 필러

부틸 고무에 티타네이트바륨을 첨가하고 램프 블랙을 50:50으로 채우면 고무의 열전도도가 달라집니다. 티타네이트바륨 분말 20개를 첨가했을 때 부틸 고무의 열전도도가 최대에 도달했습니다. 은 분말과 질화 붕소 및 백금 기반 난연제를 충전하여 난연성과 열 전도성을 모두 갖춘 실라스틱 소재도 제조할 수 있습니다. 특정 비율에서 이 소재는 14W/(m-K)의 열전도율과 v-1(UL 94)의 난연 등급을 가질 수 있습니다.

일반적으로 고무 매트릭스의 열전도율은 작기 때문에 복합 재료의 열전도율에 거의 영향을 미치지 않습니다. 따라서 열전도율에 영향을 미치는 주요 요인은 열전도율 필러의 종류, 충전량, 입자 크기 및 모양과 매트릭스와 필러 사이의 계면 열 저항입니다.

- 끝 -

저자 소개

캐시 몬타네즈는 Stanford Advanced Materials(SAM)의 프로젝트 과학자입니다. 한때 대학 재료 과학 및 공학부의 연구 교수로 재직했으며, 현재는 내화 금속, 세라믹, 실험실 도가니 및 연삭 바 등과 같은 SAM 제품의 성능 테스트 및 기술 지도를 담당하고 있습니다.