درست است که پلیمرها به دلیل اینکه عایق های بسیار خوبی در برابر جریان الکتریسیته و حرارت هستند، به سرعت در کاربردهای مهندسی جای خود را باز کردند، اما در سال های اخیر به دلیل خواص فیزیکی – مکانیکی فوق العاده این گروه از مواد اولیه، مهندسین طراح پای پلیمرها را این بار به کاربری هادی جریان الکتریسیته و حرارت باز کردند. در این بخش پلیمرهای با خاصیت هدایت حرارتی (Thermal Conductive Polymers) را جهت مدیریت انتقال حرارت در قطعات مهندسی معرفی خواهیم کرد.
در همین ابتدا باید اعتراف کنیم هدایت حرارتی پلیمرهای خالص بسیار کم و در گروه مواد عایق حرارت و گرما قرار می گیرند. اما حدود یک دهه است که افزودنی های ایجاد کننده هدایت حرارتی تولید شده اند و به لطف تکنیک کامپاندینگ، امکان تولید کامپاندهای پلیمری با ضریب هدایتی حرارتی بیشتر از پلیمرهای خالص مهیا شده است. این کامپاندهای ویژه نیز هدایت حرارتی کمتری نسبت به فلزات دارند، اما پاسخگوی طیف گسترده ای الزامات قطعات خودرویی و الکتریکی هستند و مزایای پلیمرها، همچون سبکی، قیمت معقول و انعطافپذیری در تولید را دارند. همچنین پیش بینی می شود پلیمرهای هادی حرارت و گرما در صنایع نوظهوری همچون خودروهای الکتریکی و هیبریدی، جایگاه رو به رشدی داشته باشند و در کنار این پتانسیل بالقوه برای پلاستیک های هادی حرارت، استفاده از این مواد در تولید Heat Sink های لامپ های LED در حال حاضر تجاری سازی شده است و سهم بازار بالایی نیز دارد.
در بین افزودنی های مورد استفاده به منظور افزایش هدایت حرارتی پلاستیک ها، خانواده پایه کربن جایگاه ویژه ای دارند و گرافیت و گرافن با داشتن ساختار شبکه ای منظم تجاری سازی شده اند. گرافیت با داشتن هزینه های کمتر تولید در سال های اخیر مورد توجه کامپاندرها قرار گرفته است و در تولید Heat Sink ها مورد استفاده قرار گرفته است. از جمله دیگر افزودنی های مورد استفاده در تولید پلیمرهای هادی حرارت، می توان به آلومینیوم اکساید و برون نیترید (Boron Nitride) اشاره کرد. خانواده گرافیت ها قیمت تمام شده کمتری نسبت به انواع آلومینیوم اکساید و برون نیترید دارند، اما در انتخاب آن ها بایستی حداکثر دقت صورت گیرد. چرا که این گروه اگر به درستی انتخاب و اصلاح نشوند، می توانند در کنار هدایت حرارتی منجر به افزایش هدایتی الکتریکی پلیمر نیز شوند و در کاربری های الکترونیکی اخلال ایجاد نمایند. برون نیترید مقاومت سایشی بالاتری نسبت به آلومینیوم اکساید دارد و کاندیدای مهندسی این گروه است. به منظور انتخاب پلیمر پایه مناسب برای کاربری که نیاز به پلیمر هادی حرارت دارد، بایستی به خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی مورد نیاز برای کاربری مد نظر توجه کرد. تا کنون PA، PP، PBT، PC در تولید پلیمرهای هادی حرارت به کار گرفته شده اند. همچنین در حین انتخاب افزودنی مناسب برای افزایش هدایت حرارتی پلیمر پایه بایستی به نکات زیر توجه کرد:
– درصد استفاده به منظور رسیدن به هدایت حرارتی مطلوب
– تاثیر افزودنی بر خواص شکل دهی و جریان پذیری پلیمر
– سازگاری شیمیایی افزودنی با پلیمر پایه و عدم ایجاد تاثیر سوء بر خواص مکانیکی
فنون ها (Phonon) که در واقع کوانتوم های انرژی مکانیکی ارتعاشی هستند، مسئول جابجایی انرژی حرارتی در بستر مواد مختلف هستند. به منظور ایجاد شبکه ای برای انتقال فنون ها در پلیمر پایه، بایستی افزودنی های هادی حرارت در غلظت کافی مورد استفاده قرار گیرند (Percolation) تا این انتقال ممکن شود. همچنین پخش این افزودنی ها نیز بایستی کاملا یکنواخت و در سراسر ماتریس پلیمر باشد تا انتقال حرارت در جهت های مورد نیاز صورت گیرد. این دو نکته باعث می شود انتخاب افزودنی های هادی حرارت و تجهیزات پخش آن ها با چالش روبرو باشد و در حین تولید این مواد دقت مهندسی لازم است.
