Projektowanie

Innowacje w materiałach termoprzewodzących

Materiały termoprzewodzące (TIM) występują w wielu rodzajach i odgrywają kluczową rolę w przenoszeniu ciepła z jego źródła: artykuł opisuje sześć głównych grup innowacji w tej dziedzinie.

Zarządzanie ciepłem to jeden z najważniejszych tematów w szerokim zakresie aplikacji, od akumulatorów do pojazdów elektrycznych, po elektronikę użytkową, czyli wszędzie tam, gdzie istnieje pilna potrzeba wydajnego odprowadzania ciepła. Materiały termoprzewodzące (TIM) występują w wielu rodzajach i odgrywają kluczową rolę w przenoszeniu ciepła z jego źródła. W tym artykule przyjrzymy się, jakie są główne innowacje w tego rodzaju materiałach i dlaczego mogą mieć kluczowe znaczenie.  

IDTechEx przeprowadził badania rynkowe dotyczące materiałów termoprzewodzących i ich zastosowań. Innowacje TIM można podzielić na 3 główne kategorie: dojrzałe zastosowania stosowane w wielkoseryjnej produkcji, nowe wschodzące rynki i nowe materiały o wyższej wydajności.

Rynki wielkoseryjne

Prawie każda duża firma chemiczna stara się zająć znaczące miejsce w łańcuchu dostaw dla pojazdów elektrycznych. Wciąż istnieją duże zawirowania związane z tworzeniem się łańcuchów dostaw, ewolucją projektów i zwiększaniem skali produkcji. Nadal nie ma jednoznacznych rozstrzygnięć w zakresie technologii baterii, a na rynek trafiają owoce niezliczonych prac badawczo-rozwojowych, stanowiących zarówno zagrożenie, jak i szansę dla dostawców dla samochodów elektrycznych.

Akumulatory litowo-jonowe pozostaną będą najistotniejszym pod względem wielkości rynkiem dla materiałów termoprzewodzących. Materiały te będą odgrywać kluczową rolę w zarządzaniu ciepłem przy łączeniu ogniw i rozpraszaczy ciepła i radiatorów. Wymagana obecnie przewodność cieplna wynosi około 3 W/mK, co jest stosunkowo łatwe do osiągnięcia za pomocą materiałów silikonowych uzupełnionych warstwą ceramiczną lub podobnych produktów. Jednakże silikony nie są popularne w przemyśle motoryzacyjnym i istnieje wiele konkurencyjnych rozwiązań, które próbują upowszechnić się na rynku. Innowacje na tym rynku nie dotyczą zwykle samego materiału, ale raczej osiągnięcia wysokiego wolumenu dostaw za niską cenę. IDTechEx kilkakrotnie informował, że celem jest osiągnięcie 10 USD/kg, co jest bardzo niską ceną za materiał TIM.

IDTechEx spodziewa się, że w reakcji na presję cenową rynek w ciągu najbliższych 10 lat przejdzie z przeważających obecnie podkładek szczelinowych na wypełniacze. Wypełniacze szczelin mogą być dozowane w postaci ciekłej, co pozwala uzyskać szybsze tempo, łatwo modyfikowalne wzory rozprowadzenia i – zazwyczaj – cienkie warstwy. Wyzwania dotyczą w tym przypadku równomiernego dozowania materiału i kosztu samego sprzętu, jego eksploatacji, konserwacji i żywotności.

Nowe rynki wschodzące

Rozwój techniczny szybko zmienia świat, tworząc nowe rynki dla materiałów TIM z określonymi wymaganiami. Istnieje wiele przykładów, w tym czujniki do samochodów autonomicznych i centrów danych, ale jednym z najważniejszych nowych aplikacji jest rozwój technologii 5G.

Zazwyczaj nowe rynki nie wymagają nie tyle radykalnej poprawy przewodności cieplnej, lecz raczej pewnych iteracyjnych ulepszeń istniejących produktów i formuł. Rewolucja 5G przyniesie jednak dużą zmianę w infrastrukturze, poczynając od stacji bazowych do niezliczonych urządzeń brzegowych. IDTechEx zaobserwowała, że ​​szereg premier rynkowych produktów takich kluczowych graczy jak DOW, Laird i Henkel, dedykowanych dla 5G, mieści się w zakresie wydajności 5–10 W/mK. Innowacje wciąż będą posiadały pewne znaczenie, umożliwiając dostosowanie ofert do potrzeb rynku, ale ważniejsze niż jakiekolwiek ulepszenia materiałowe będzie sprawne pozycjonowanie produktu, nawiązywanie / rozszerzanie relacji z klientami oraz po prostu koszty.

Nowe materiały dla osiągnięcia lepszej wydajności

Jest to obszar, w którym główną rolę odgrywają naukowe innowacje, przybierające postać wstępnie uformowanych podkładek, zapewniających o wiele wyższe przewodności cieplne ponad 20 W/mK, o unikalnych właściwościach, takich jak szeroki cykliczny zakres temperatur. Zanim rozpowszechnią się w głównych gałęziach przemysłu, czego przykładem mogą być najbardziej zaawansowane konsumenckie urządzenia elektroniczne, innowacje te zwykle znajdują zastosowania niszowe, takie jak superkomputery czy satelity.

 

IDTechEx podzielił innowacje na 6 kategorii, spotykanych zarówno w start-up’ach jak i działach R&D największych firm.

 

Kluczowe obszary innowacji materiałowych do zastosowań TIM. Źródło: © IDTechEx ‘Materiały termoprzewodzące 2020–2030: prognozy, technologie, możliwości’.  

Włókno węglowe, grafit i nanowęglowodory: Jedną z najciekawszych innowacji jest zastosowanie włókien węglowych powstałych na bazie smoły, grafitu, CNT i grafenu. Mają one olbrzymią przewodność cieplną, ale są również elektrycznie przewodzące, co wymaga dodatkowych obostrzeń projektowych. Istnieje szereg firm, od Dexerials z ich skomercjalizowanymi podkładkami CF, przez Fujitsu R&D, z pewnymi obiecującymi zapowiedziami CNT, po młode, zyskujące na popularności firmy, takie jak Carbice.

Postęp w ceramice: Ceramika odgrywa kluczową rolę jako przewodzący ciepło wypełniacz dielektrycznyr TIM. Wyzwaniem jest osiągnięcie wystarczająco wysokich parametrów, aby projektanci nie musieli sięgać po alternatywy węglowe lub metalowe. Wprowadzane są ulepszenia w uznanych produktach, takich jak Showa Denko, ale najciekawsza innowacja związana jest z pojawieniem się nanorurek (BNNT) i nanoarkuszy (BNNS) z azotku boru. Są one izoelektroniczne w stosunku do ich odpowiedników z CNT i grafenu i zaczynają zyskiwać komercyjną popularność dzięki takim firmom jak BNNT LLC, BNNano i inne.

Wypełniacze metalowe i ciekłe metale: metale są dobrze znanymi rozwiązaniami, utrzymującymi stały udział w rynku, charakteryzującymi się określonymi korzyściami i wadami. Wciąż jednak pojawiają się napędzające postęp rozwiązania, począwszy od stosowania metali alternatywnych, takich jak stop opracowany przez start-up o nazwie Arieca, aż po rozwój ciekłych metali, kreowany przez Indium Corporation.

Wypełniacze anizotropowe: są stosowane tam, gdzie nacisk kładziony jest na wyrównanie wypełniacza płaszczyźnie, co ma na celu zmniejszenie zapotrzebowania na wypełniacz dla tej samej wydajności lub zwiększenie ogólnej przewodności cieplnej w płaszczyźnie Z. W zależności od wypełniacza, można to osiągnąć na wiele sposobów, w tym stosując procesy flokowania, wykorzystując zjawisko początkowego mechanizmu wzrostu lub bardziej  zaawansowane procesy, takie jak proces dielektroforezy stosowany przez CondAlign.

Materiały podlegające przemianie fazowej: Ponownie, jest to bardzo dobrze znana klasa materiałów, ale w której wciąż wprowadza się na rynek ulepszone produkty. Odnotowano pewne postępy w wykorzystaniu ich budowy ogniw akumulatorowych, ale także w stosowaniu ich jako TIM. Jednym z przykładów jest Rogers, który rozszerza swoją linię produktów HeatSORB.

Integracja z rozpraszaczem ciepła: Jest to obszar integracji TIM (płaszczyzna z) z rozpraszaczem ciepła (płaszczyzna x-y) w jednym produkcie. Często stosuje się w tych rozwiązaniach arkusze izolacyjne (np. aerożele), jeśli ciepło musi być skierowane w określonym kierunku. IDTechEx zaobserwował grupę firm oferujących te zintegrowane produkty, w tym kilka na bardzo wczesnym etapie, takich jak HyMet i SHT Smart High Tech.

Źródło: IdTechEx