česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 08. prosinec 2022

Tepelně vodivé těsnicí hmoty Jak vybrat a správně používat tzv. gap fillery, nejen pro baterie

DPS 3/2022 | Výroba - články
Autor: Ing. Adam Bravený, INTERCONTI

S rychlým nástupem elektromobility a souvisejících platforem přichází mnoho návrhů napájecích sad – baterií. Opakujícím se problémem je zde otázka chlazení, jehož účinnost je přitom zásadním faktorem udržení vysoké životnosti článků, vysoké rychlosti nabíjení a ve výsledku také třeba dostatečné dojezdové vzdálenosti elektromobilu.

Běžnou součástí hotové baterie je materiál sloužící jako tepelné rozhraní (thermal interface material, TIM) mezi samotnými články či jejich moduly a samotným pasivním chladičem. Stále více jsou k tomuto účelu používány tekuté polymerní materiály oproti ustupujícím vodivým („chladicím“) podložkám. Jde především o 2komponentní materiály, které vytvrzují do různých pevných stavů, včetně elastických či plastických a jsou i v českém (slovenském) prostředí nazývány „gap fillery“.

Obr. (jpg)

Tyto TIM hmoty zajišťují skvělé vedení tepla díky nízké tepelné impedanci a jejich schopnosti vyplňovat jak mikro-, tak makroskopické prvky či vady na povrchu materiálu, dále vysokou efektivitu a flexibilitu aplikace, a tedy vysokou míru industrializace výrobního postupu.

Kromě samotné tepelné vodivosti, udávané v jednotkách W/m*K, jsou běžné požadavky na chemickou odolnost, vodoodpudivost (odolnost vůči vlhkosti), elektrickou nevodivost, schopnost tlumit vibrace. Odolnost materiálu proti mechanickému poškození (tvrdost) a adheze ke zvolenému materiálu zase ovlivňují snadnost případné výměny (či opravy) baterií nebo hmoty samotné.

Výrobní postup baterií klade jisté dodatečné nároky na způsob manipulace a aplikace TIM, především stran produktivity výroby, potažmo takt time. Kromě požadavků na vytvrzený materiál existuje vždy také sada podmínek pro nevytvrzený materiál (jako například viskozita či tixotropní chování).

Chemická podstata

TIM gap fillery jsou dostupné především na silikonové či polyuretanové bázi.

Silikonové varianty jsou obecně po vytvrzení měkčí a díky tomu přenášejí méně napětí na okolní materiál. Mají nižší přilnavost, je tedy v některých případech potřeba zajistit soudržnost dvou komponentů jiným konstrukčním prvkem. Na druhou stranu je zde jednoduchá odstranitelnost, a tedy opravitelnost sestavy umožňující také recyklovatelnost celé baterie. Silikonové hmoty dobře odpuzují vlhkost, avšak nejsou příliš chemicky odolné. Mnoho silikonových gap fillerů také obsahuje minimální množství odpařitelné složky, což umožňuje snadnou a téměř okamžitou přetíratelnost (např. z důvodu barvení) či obecně zajišťuje schopnost aplikovat další vrstvu materiálu.

Polyuretanové gap fillery se obecně vyznačují vyšší přilnavostí, chemickou odolností a obecně vyšší tvrdostí než ty silikonové. Existují však i relativně měkké varianty, u kterých zůstávají výhody polyuretanu, ale podobně jako u silikonových hmot mohou mít nižší přilnavost. Teplotní odolnost (dlouhodobě max. 150 °C) je nižší než u silikonových hmot (200 °C), což by však mělo pro případy baterií bohatě dostačovat.

Obr. 2  (jpg)

Vlastnosti nevytvrzené hmoty

Teplovodivé gap fillery jsou zpravidla dvousložkové hmoty, které vytvrdí po smíchání základní složky s tvrdidlem. Obvykle jsou aplikovány dávkovacím zařízením pro snazší odměření, dostatečné promíchání ve správném poměru a v neposlední řadě samotné umístění hmoty. Zjednodušeně existují dva běžné způsoby aplikace – manuální, pomocí vytlačovací pistole, připravených kartuší a dávkovací jehly, nebo více automatizované, pomocí odčerpávání hmot z kanystrů či sudů čerpadlem a dávkování automatickou dávkovací pistolí vždy konstruovanou pro daný míchací poměr.

Většina zákazníků požaduje, aby materiál snadno tekl (či byl snadno protlačitelný), ale zároveň aby držel svůj tvar tak, jak byl vytlačen z dávkovací jehly. Viskozita je mírně zjednodušeně hlavní vlastnost materiálu, která určuje rychlost dávkování (včetně potřebného tlaku) a také velikost aplikované jednotky hmoty – tzv. „housenky“. Pro dobré smíchání dvousložek materiálu je také výhodné použít materiály o podobné viskozitě.

Materiály na silikonové bázi nejsou příliš ovlivněny okolní teplotou, pokud se pohybuje blízko normálních podmínek. Nevytvrzené polyuretanové hmoty jsou naopak snadno ovlivnitelné již mírným zvýšením své teploty, což v případě jejich aplikace přidává další procesní parametr navíc.

Jakmile je materiál aplikován, jeho tendence držet svůj tvar záleží na velikosti smykového napětí a na mezikluzu mezi částicemi v tekutině. Pokud jsou tyto hodnoty příliš malé, gravitace způsobí roztečení kapaliny do prostoru, často až do vodorovné hladiny. Užitečné může být sledování rychlosti znovuobnovení dostatečného smykového napětí mezi částicemi v kapalině po ukončení jejího pohybu. V praxi lze této vlastnosti využít právě ve vysoce produktivních aplikacích – umožní rychlý transport hmoty systémem při nízké viskozitě a poté zachování daného tvaru díky nárůstu viskozity po ukončení pohybu.

Vyšší viskozita může pozitivně ovlivnit skladovací schopnosti materiálu. Gap fillery zpravidla obsahují tepelně vodivé částice, tedy plnivo, které ve viskózní kapalině nemá tendenci se usazovat a ovlivňovat tím kvalitu materiálu.

Samotný proces vytvrzení těchto zmiňovaných 2složkových hmot, polymerizace, má různé stupně, což také ovlivňuje jejich aplikaci. Akt polymerizace začíná okamžitě po kontaktu složek a zapříčiní nárůst viskozity směsi. Dobou zpracovatelnosti je označován čas potřebný k tomu, aby směs dosáhla dvojnásobné viskozity oproti počátečnímu stavu. Tímto parametrem je tedy například určena obecná rychlost dávkování a také doba, po kterou může být materiál ponechán v dávkovací soustavě smíchán. Rozsah viskozity v řádu dvojnásobku jako běžně používanou hodnotu je tak nutné vzít v potaz při návrhu samotné dávkovací technologie či konkrétního výrobního procesu.

Vlastnosti vytvrzené hmoty

Ultimátními vlastnostmi zvažovaných gap fillerů jsou ty, které má materiál po svém vytvrzení, protože v této podobě určuje vlastnosti hotového produktu. Tyto atributy lze v praxi rozdělit do tří oblastí – mechanické, tepelné a elektrické. Mechanické vlastnosti, jako je tvrdost, pevnost v tahu, elasticita a adheze mohou pomoci výrobku například tlumit vibrace či odolat opakovanému tepelnému zatížení. Vysoká tvrdost zajistí vysokou mechanickou pevnost, zároveň však křehkost a náchylnost k tvorbě vnitřního pnutí vlivem tepelných změn či šoků. Měkčí materiály umí dobře tlumit vibrace a přizpůsobit se nutným pohybům spojovaných částí, mají typicky vyšší odolnost vůči cyklickým tepelným změnám, avšak mají obecně nižší adhezi k lepeným materiálům.

Modul pružnosti a tvrdost vytvrzeného materiálu koreluje s teplotou skelného přechodu (Tg), což je teplota, při které polymer přechází z rigidní křehké struktury do struktury pružnější. V mnoha případech je měkčí a flexibilnější materiál žádoucí, pak je vhodné vybírat materiál s Tg blízko teplotě běžných provozních podmínek.

V neposlední řadě jsou pro volbu gap filleru důležité vodivostní charakteristiky, nejen tepelná, ale i elektrická. Tepelná vodivost je běžně primárním požadavkem na gap filler, jelikož čím bude lepší, tím rychleji bude možné baterii nabíjet, tím pomaleji se bude baterie vybíjet a tím delší životnost baterie bude mít. Běžný je požadavek na tepelnou vodivost alespoň 2 W/m*K, výjimečně je potřeba až 4 W/m*K. V případě elektrického proudu je naopak předpoklad dobrých izolačních schopností gap filleru, tedy je snaha o vysoký objemový odpor a co nejvyšší mezní elektrické napětí pro případné nárazy vysokého napětí. Ve většině odvětví průmyslu je od těchto hmot očekávána také vysoká odolnost vůči hoření, nejčastěji na úrovni předpisu UL-94 V0.

Závěr

Vývoj i výběr optimální hmoty k zafixování součástek se současným odvodem tepla může být obtížné. Je třeba hledat rovnováhu mezi mechanickými, tepelnými a elektrickými vlastnostmi vytvrzeného materiálu a zároveň mezi hydromechanickými vlastnostmi čerstvě smíchaných složek uvažované hmoty. Z tohoto důvodu je důrazně doporučeno obrátit se na aplikační specialisty samotných výrobců či jejich distributorů, kteří vám pomohou s orientací v nabídce a s výběrem nejvhodnějšího materiálu či celé technologie. Úzká spolupráce spotřebitelů s výrobci je také důležitým akcelerátorem inovace v této oblasti.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik