Теплопроводная паста для сопряжения теплонапряженных устройств и деталей

Изобретение относится к области создания теплопроводных материалов и может быть использовано для сопряжения различных теплонапряженных устройств и деталей. Теплопроводная паста содержит теплопроводный неорганический наполнитель в виде графитового порошка, полученного как из графита природного происхождения, так и из графита, полученного искусственным путем в количестве 22.6-52,6 мас. %, и связующее в виде органических глицерина в количестве 19,5-69,5 мас. % и диспергатора в количестве 7,9-17,9 мас. % на основе поликарбоновых кислот. Технический результат заключается в том, что частицы графита в графитовом порошке, в сочетании со связующим и диспергатором, контактируют друг с другом и придают теплопроводной пасте повышенные теплофизические характеристики за счет повышенной теплопроводности и перколяционного эффекта, кроме этого технологический процесс приготовления пасты с использованием графитового порошка не является энергозатратным, что снижает себестоимость пасты. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области создания теплопроводных материалов и может быть использовано для сопряжения различных теплонапряженных устройств и деталей.

Известна теплопроводная паста (патент WO 2013052375, МПК С09К 5/00), согласно которому паста имеет теплопроводные неорганические включения, 100 частей по весу которых обработаны гидрофобным олефиликом, диаметр частиц неорганического компонента от 10 нм до 100 мкм. В качестве органического связующего используются полисилоксановые соединения, а в качестве неорганического наполнителя - нитрид алюминия.

Недостатком пасты, описанной в вышеуказанном патенте, является то, что частицы нитрида алюминия имеют круглую форму. В этом случае органическое связующее равномерно покрывает частицы нитрида алюминия и исключает прямой контакт в объеме теплопроводной пасты. Другим недостатком является ограничение по размеру частиц теплопроводного нитрида алюминия до 100 мкм. Получение мелкодисперсных порошков нитрида алюминия, имеющего высокую твердость, представляет собой энергозатратный технологический процесс. Кроме того, длительное измельчение твердого нитрида алюминия сопровождается намолом примесей футеровочного материала мельниц.

Известна теплопроводная паста (патент RU №2 651035 С1, МПК С09К 5/00), согласно которому паста содержит теплопроводный неорганический наполнитель в виде частиц нитрида алюминия и связующее в виде органического полисилоксана, причем в качестве органического полисилоксана используют полидиметилсилоксан, а частицы нитрида алюминия имеют неправильную форму размером 110 -300 мкм, которые составляют 80 -100% по массе всех частиц, остальное - частицы размером до 100 нм. При этом частицы крупностью 110-300 мкм имеют строение в виде агломератов из наночастиц нитрида алюминия.

Недостатком пасты, описанной в вышеуказанном патенте, является то, что получение мелкодисперсных порошков нитрида алюминия, имеющего высокую твердость, представляет собой энергозатратный технологический процесс.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является авторское свидетельство SU №919346, МПК С09К 5/00 согласно которому теплопроводная паста содержит 40,0-60,0 мас. % глицерина, 38,8 - 53,0 мас. % алюминиевой пудры и 1,7 мас. % антистатика.

Использование в качестве теплопроводного наполнителя металлического алюминия имеет существенные недостатки. Металлический алюминий, являясь химически активным веществом, особенно если учесть его порошкообразное состояние, с течением короткого времени подвержен взаимодействию не только с сопутствующими компонентами, но и с внешней средой, содержащей химически активные составляющие. Появление поверхностных кислородосодержащих пленок на частицах металлического алюминиевого порошка резко снижает его теплопроводность, что в конечном результате ухудшает результативность данной сопрягающей пасты, применяемой для отвода тепла от теплонапряженного устройства. Процесс получения алюминиевого порошка также является энергозатратным процессом.

Задачей изобретения является создание пасты, имеющей низкую себестоимость и повышенную теплопроводность за счет применения природного материала графита в виде графитового порошка, обладающего в сочетании с диспергатором и связующим глицерином теплопроводностью выше, чем у алюминия и нитрида алюминия.

Указанная задача достигается тем, что теплопроводная паста для сопряжения теплонапряженных устройств и деталей, приготовленная на основе связующего в виде глицерина, в отличие от прототипа включает в качестве теплопроводного неорганического наполнителя графитовый порошок в количестве 22.6-52,6 мас. %, полученный из графита как природного происхождения, так и полученного искусственным путем и диспергатор на основе поли-карбоновых кислот в количестве 7,9-17,9 мас. %, глицерин взят в количестве 19,5-69,5 мас. % Посредством связующего и диспергатора частицы графитового порошка, равномерно располагаясь в составе и контактируя между собой, создают непрерывную структуру для более эффективной передачи теплового потока, так называемый перколяционный эффект (от лат.percolare - просачиваться, протекать). Применение графита в виде сухого порошка не решает поставленной задачи. Графитовый порошок только в сочетании со связующим и диспергатором образует теплопроводную тиксотропную пасту с высоким значением пенетрации, которая заполняет все неровности, проникает в зазоры в теплонапряженных системах, вытесняя воздух и хорошо прилипает к поверхностям, что повышает эффективность теплопередачи.

Для приготовления опытного образца теплопроводной пасты использовали графитовый порошок марки ГЛ1 ГОСТ 5279-74 (литейный) с массовой долей углерода 87,33% и размерами частиц от 30 до 250 мкм, равномерно распределенными по массе всех частиц с редкими включениями частиц графита размерами до 300 мкм.

Процентное соотношение компонентов теплопроводной пасты для ее приготовления определялось как среднее из ряда значений каждого компонента по мас. %.

При превышении максимального процента содержания графитового порошка (более 52,6 мас %) в составе пасты и минимальном содержании глицерина (менее 19,5 мас. %) и диспергатора (менее 7,9 мас. %) паста становится густой, тиксотропной, но не обладает хорошей пенетрацией и плохо прилипает к сопрягаемым поверхностям, тем самым ухудшая теплопередачу. При превышении максимального процента глицерина в составе пасты (более 69,5 мас. %) и минимальном содержании графитового порошка (менее 22,6 мас. %) и диспергатора (более 17,9 мас. %) паста становится жидкой, не тиксотропной, стекает с сопряженных поверхностей и не может применяться для теплопередачи. Средние значения процентного содержания графитового порошка и глицерина в составе пасты придают ей оптимальное значение пенетрации, тиксотропность, хорошее прилипание к сопрягаемым поверхностям и повышенный коэффициент теплопроводности

Использование графитового порошка в качестве теплопроводного материала в составе теплопроводной пасты для сопряжения различных теплонапряженных устройств и деталей, включающей в качестве связующего глицерин и диспергатор на основе поликарбоновых кислот, в указанных количествах с достижением положительного эффекта - повышением теплопроводности пасты и значительным снижением ее цены за счет снижения энергозатратности технологического процесса авторами в результате проведенных патентного и информационного поисков не выявлено, что подтверждает соответствие заявляемого изобретения критериям «новизна» и «изобретательский уровень».

Пасту изготавливают по приведенной ниже методике:

1. В емкость мешалки активаторного типа наливают глицерин из расчета 49,5 мас. %,

2. В эту же емкость добавляют графитовый порошок из расчета 37,6 мас. % и в течение 3 часов перемешивают.

3. В конце цикла смешивания в емкость добавляют диспергатор «Оротан №4045» из расчета 12,9 мас. % и в течение 1 часа паста перемешивают с диспергатором до готовности.

Коэффициент теплопроводности полученного образца определяют по ГОСТ 7076 в сравнении с широко применяемой в теплоэнергетике теплопроводной силоксановой пастой SILARM 3 с неорганическим наполнителем в виде частиц нитрида алюминия.

Результаты опытных испытаний показали, что среднее значение коэффициента теплопроводности теплопроводной пасты SILARM 3 составило 0,835 Вт/мК, а среднее значение коэффициента теплопроводности полученного образца теплопроводной пасты на основе графитового порошка составило 1,478 Вт/м⋅К, что на 77% выше.

Использование теплопроводной пасты на основе графитового порошка позволяет более эффективно передавать тепло от источника как для отвода тепла для охлаждения объекта, так и для передачи тепла для нагревания объекта.

Основное назначение теплопроводной пасты - передача тепла от трубки-спутника системы путевого обогрева к трубе, транспортирующей вязкий продукт для повышения его текучести, либо продукт, требующий подогрева в технологических целях. В таких случаях теплопроводную пасту наносят шпателем или шприцем в пространство между трубкой-спутником и основной трубой, защищают место нанесения металлизированным скотчем и наносят пенополиуретановую теплоизоляцию.

Применение теплопроводной пасты на основе графитового порошка возможно в других отраслях, где требуется передача тепла от одной поверхности к другой.

Использование предлагаемой пасты позволяет получить более эффективный процесс теплопередачи за счет более высокого коэффициента теплопроводности. При этом себестоимость изготовления теплопроводной пасты значительно ниже по сравнению с пастой SILARM 3 и составляет в среднем 200 руб/кг за счет применения дешевого природного материала графита и порошка из него и менее энергозатратного технологического процесса ее изготовления.

1. Теплопроводная паста для сопряжения теплонапряженных устройств и деталей, включающая в качестве связующего глицерин, отличающаяся тем, что в качестве неорганического наполнителя содержит графитовый порошок, полученный из графита как природного происхождения, так и графита, полученного искусственным путем, и диспергатор в качестве дополнительного связующего, при этом компоненты взяты в следующем соотношении (мас. %):

глицерин	19,5-69,5
графитовый порошок	22,6-52,6
диспергатор	7,9-17,9

2. Теплопроводная паста по п. 1, отличающаяся тем, что в качестве диспергатора используют диспергатор на основе поликарбоновых кислот.