Pattantyús-Ábrahám Géza Gépészeti Tudományok Doktori Iskola 

BME GPK, Polimertechnika Tanszék

Témavezető: Dr. Kovács József Gábor

Nagyteljesítményű, termikusan vezető és elektromosan szigetelő polimer kompozitok fejlesztése elektrotechnikai alkalmazásokhoz 

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A mérnökök számára jól ismert nehézséget jelent a különböző elektronikai, ipari és hőtechnikai berendezések használata során keletkező hőmennyiség elvezetése. A megfelelő hőelvezetés ugyanis elengedhetetlen ahhoz, hogy az adott eszköz kellő biztonsággal és hosszú távon működőképes legyen [1-3].

Kutatásaimban olyan nagyteljesítményű, termikusan vezető polimer kompozitok fejlesztésével foglalkozom, amelyekkel bizonyos területeken kiválthatók a hagyományosan hőelvezetésre felhasznált fém alkatrészek. Ezeknek az anyagoknak nagy előnye a fémekkel szemben a kis sűrűség, alacsony előállítási költség, korrózióállóság, gyors és jól automatizálható feldolgozástechnológiák alkalmazhatósága, illetve a gyártás utáni másodlagos műveletek elkerülése. A bemutatott kedvező tulajdonságok alapján ezek az innovatív anyagok jól hasznosíthatók az elektrotechnikai és mechatronikai rendszerekben. Az ilyen eszközök hűtését hagyományosan extrudált vagy öntött alumínium hűtőelemekkel oldják meg. Ahhoz, hogy az elektromos áramkör, illetve eszköz és a hűtőegység között biztosítani tudjuk az elektromos szigetelést, hővezető polimer fóliákat szokás alkalmazni. Ez azonban nem csak az eszköz szerelését bonyolítja, de a rétegezés következtében a hatékony hőtranszportot is gátolja, így a fém hűtőborda hatékonyságát nem tudjuk kihasználni [1]. Ezért nyerhetnek teret a jövőbeli fejlesztések során a termikusan vezető és elektromosan szigetelő polimerekből készített tokozások és hűtőelemek, mivel ezeknél nincs szükség csatolóanyagra.

A kutatóhely rövid bemutatása

Kutatómunkámat a BME Polimertechnika Tanszékén végzem. A tanszék elkötelezett a polimer szerkezeti anyagok fejlesztésében. A magyar felsőoktatási intézmények közül elsőként itt vezették be az ISO 9001 minőségbiztosítási rendszert, valamint 2004 óta a laboratóriumot a Nemzeti Akkreditációs Testület akkreditálja. A tanszék tudományos tevékenységét jól jellemzi az Express Polymers Letters című, saját gondozású nemzetközi műanyagipari szakfolyóirat is.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Az utóbbi évtizedek műszaki gyakorlatának számos területén nagy igény mutatkozik olyan új, polimer alapú anyagok kifejlesztésére, amelyekkel helyettesíthetőek a fémek. Eddig a kutatások fő iránya az acélokéhoz hasonló, vagy akár azt meghaladó szilárdsági érték elérése volt, amelyek alapja a különböző szálas erősítőanyagok alkalmazása. A fémeknek azonban nem csak a szilárdsága, de hővezetési tényezője is jóval nagyobb, mint a polimereké. Számos esetben szükséges olyan anyagok alkalmazása, amelyek jól vezetik a hőt, de elektromosan szigetelnek. Legtöbb alkalmazási példa az elektronikában található, ahol a működés közben keletkezett hőt el kell vezetni oly módon, hogy az alkatrészek elektromos szigetelése megoldott legyen [4, 5]. A hő hatékony elvezetésére új lehetőségeket kínálnak a hővezető polimer kompozitok. A hővezető polimerek elterjedése és fejlesztésének kezdete a LED (Light-Emitting-Diode) technológia ugrásszerű fejlődésének köszönhető.

 

A megtervezett LED fényforrás felépítése és hővezető polimer alkatrészei

 

Amíg a hagyományos fényforrások (hagyományos, fluoreszcens és gázkisüléses izzók) az általuk keltett hő körülbelül 90%-át a fénykibocsátás irányába sugározzák ki, addig a LED-ek ezt a hőmennyiséget az őket befoglaló áramköri lapoknak adják le [6]. Ezek a nyomtatott áramköri lapok kis hővezető képességgel rendelkeznek, így nem tudják hatékonyan elvezetni a hőt és már kismértékű hőmérsékletemelkedés (körülbelül 10-15°C) is jelentősen lecsökkenti az eszközök élettartamát [4]. Ezeken a területeken a hővezető polimerek használata még újdonságnak számít, de egyre több tervező tekinti alternatívának a termékek fejlesztésénél, és alkalmazásuk is egyre terjed.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Kutatásaim legfőbb célja olyan új polimer alapú kompozit anyagok kifejlesztése, amelyek jelentős mértékben hővezetők. Emellett fontos szempont az elektromos szigetelőképesség megtartása, hogy elektrotechnikai alkatrészeknél közvetlenül használhatóak legyenek csatolóanyagok nélkül. Célom a kifejlesztett anyagok alkalmazhatóságának kiterjesztése, hogy olyan helyeken is használhatóak legyenek, ahol eddig csak költséges alakítási technológiákkal feldolgozható kerámiákkal, illetve alumíniumokkal volt megoldható a hűtés. Ezen túlmenően szeretnék a kompozitok hővezetési tényezőjének modellezésével foglalkozni, hogy adott teljesítményű berendezésre lehessen tervezni a tulajdonságokat.

Ezek megvalósításához számos problémára kell megoldást találnom. Ilyen feladat, hogy a nagy töltőanyag tartalommal rendelkező kompozit anyagok feldolgozhatóak legyenek az iparban fellelhető hagyományos feldolgozó berendezésekkel. Munkámhoz szükséges, hogy feltárjam a kompozitok mechanikai és termikus tulajdonságait, illetve ezek függését a töltőanyag jellemzőitől. Ugyancsak fontos ismerni a felhasznált alapanyagok tulajdonságait is, hogy a modellalkotás során valós paramétereket használhassak fel. A felmerülő kérdések megválaszolására a hagyományos mechanikai és morfológiai vizsgálatok mellett saját fejlesztésű mérőberendezések és mérési módszerek segítségével keresem a választ.

Módszerek

Felhasznált anyagok

Munkám során a kompozitok előállításához többféle mátrixanyagot is felhasználtam, úgymint polipropilén, poliamid 6 és politejsav. A polipropilén tömegpolimernek számít, így ára igen kedvező, a poliamid 6 jó műszaki tulajdonságokkal rendelkezik, míg a politejsav megújuló erőforrásból származó, biológiai úton lebontható polimer. Hővezető töltőanyagként talkumot, bór-nitridet és grafitot alkalmaztam. Ezeknek az anyagoknak közös jellemzője, hogy lemezes szerkezetűek, így jelentős anizotrópiát mutatnak tulajdonságaikban. A töltőanyag-lemezkék átmérője a mikroméretes tartományba esnek, vastagságuk pedig a nanoméretes tartományba. Amíg a talkum egy kedvező árú és alacsony hővezető képességű töltőanyag, addig a grafit és a bór-nitrid tekinthető a legjobb termikusan vezető töltőanyagnak.

 

Néhány anyag és töltőanyag hővezetési tényezője

 

Minták előállítása

A mátrix és a töltőanyagok kompaundjait extrúzióval, valamint belső keverő segítségével állítottam elő. Ahhoz, hogy a feldolgozási módszerből eredő különbségeket ki tudjam mutatni, fröccsöntéssel, illetve préseléssel készítettem mintákat. A felületkezelés hatékonyságának vizsgálatához a bór-nitrid port szilános felületkezelő szerrel kezeltem.

 

Mérési módszerek

A kompozit anyagok hővezetési tényezőjét két módszerrel határoztam meg. Az egyik az úgynevezett Forrólapos eljárás (Hot-Plate method) [7]. A módszer lényege, hogy a vizsgálni kívánt próbatest két oldala között hőmérsékletkülönbséget hozunk létre, ami hatására hőáram indul el a melegebb oldal felől a hidegebb oldal irányába. Az egyensúlyi helyzet beállta után a Fourier törvény segítségével a minta hővezetési tényezője egyszerűen számítható a hőáram, a minta vastagsága és a kialakult hőmérsékletkülönbség ismeretében. A másik alkalmazott eljárás az úgynevezett Linear-Heat flow módszer [8]. Itt szintén a Fourier törvény segítségével határozható meg a minta hővezetési tényezője. A mérés során a vizsgált mintában kialakuló hőmérséklet gradienst hasonlítjuk az ismert hővezetésű mintában kialakult hőmérséklet gradienshez. A hővezetési tényező mellett vizsgáltam a töltőanyagok kvázistatikus és dinamikus mechanikai tulajdonságokra, valamint a termikus tulajdonságokra gyakorolt hatását is. Ezekhez szakító- és hajlító vizsgálatokat, Charpy teszteket, valamint DSC és DMA vizsgálatokat végeztem el.

 

Modellezés

Fontos, hogy a kompozit rendszerek mechanikai tulajdonságain felül a hővezetési tényezője is adott feladatra tervezhető legyen. Ennek érdekében kidolgoztam egy félempirikus matematikai modellt, amely a kompozit technikában jól ismert keverékszabályból vezethető le. A modellhez szükséges főbb anyagi paraméterek meghatározására felállítottam egy mérési eljárást is.

Eddigi eredmények

Mérőberendezések fejlesztése 

Munkám során szükségem volt az anyagok hővezetési tényezőjének meghatározására. Ennek érdekében építettem, majd kalibráltam és teszteltem két mérőeszközt, amelyek az úgynevezett Hot-Plate és Linear Heat Flow elven működnek. Az előbbi berendezéssel fröccsöntött és préselt kompozit lapok, amíg az utóbbival préselt minták és töltőanyagok hővezetési tényezőit tudom meghatározni.

 

Az általam fejlesztett Hot-Plate és Linear Heat Flow elven működő mérőberendezések felépítése

 

Hővezetést befolyásoló főbb tényezők

Kísérleteim során elsőként a hővezető-képességet befolyásoló főbb tényezők hatását vizsgáltam, úgymint a töltőanyag tartalom, töltőanyag típus, mátrixanyag típus és a feldolgozás módja. Mérésekkel kimutattam, hogy a töltőanyag típusa és mennyisége befolyásolja legjobban az eredményeket. Különböző mátrixanyagok alkalmazásával csak 0,1-0,3 W/mK-el módosítható ez az érték. Továbbá méréseim alapján kimutattam, hogy a feldolgozási körülményeknek jelentős hatása van a hővezetési tényezőre. Ennek oka, hogy fröccsöntés során kialakul egy mag-héj szerkezet, ahol a töltőanyagban szegényebb héj részben az anizotróp hővezetésű, lemezes szerkezetű részecskék folyásirányba orientálódnak. Ezt figyelembe kell venni a termékek tervezése során, és az ömledék folyási útját ennek megfelelően kell kialakítani.

 

Bór-nitriddel (a) és talkummal (b) töltött polipropilén mátrixú hővezető kompaundok töretfelületének elektronmikroszkópi felvétele

 

Anyagfejlesztés

A műanyagipar egyik legdinamikusabban fejlődő és legtermelékenyebb feldolgozási eljárása a fröccsöntés. Ez a módszer azonban jelentősen lekorlátozza az anyagokban alkalmazható töltőanyag mennyiségét a viszkozitás növekedése miatt, így az elérhető hővezetési tényező is csökken. Ennek kiküszöbölésére kidolgoztam több eljárást. Egyik lehetőség, ha hibrid rendszerű töltőanyagot alkalmazunk, ahol a komponensek között pozitív szinergikus hatás lép fel. Mérésekkel bebizonyítottam, hogy ilyen anyagok az általam alkalmazott bór-nitrid és talkum, így az elméletileg elérhetőnél jobb hővezetési eredményeket kaptam. A másik eljárás a töltőanyag felületkezelése. Az általam alkalmazott BN töltőanyagon többféle szilános felületkezelési eljárást alkalmaztam, amelyekkel 5-30%-os növekedést tudtam elérni a folyóképesség javulása mellett. A harmadik lehetőség, ha a mátrixanyaghoz CBT monomert adagolunk. A CBT társítással jelentős folyóképesség javulást értem el, amelyet viszkozitás és folyóképesség mérésekkel bizonyítottam, és mindemellett a mechanikai tulajdonságok nem romlottak. A folyóképesség javulása a feldolgozhatóságot segíti, és a töltőanyag tartalom tovább növelhető.

 

Tulajdonságok tervezhetősége (modellezés)

Munkámban több, eddig már alkalmazott empirikus és elméleti modellt megvizsgáltam, és rámutattam azok gyenge pontjaira, használhatóságuk korlátaira. Kutatásaim során kimutattam, hogy a kompozitok hővezetési tényezője és töltőanyag tartalma közötti kapcsolatot egy nem-lineáris függvénnyel írhatjuk le. Az általam kidolgozott matematikai modell alkalmazhatóságát különböző hővezetési tényezőjű, lemezes szerkezetű töltőanyagokra bizonyítottam, és kimutattam, hogy pontosabban előrejelzi a kompozit anyagok hővezetési tényezőjét, mint a hagyományosan alkalmazott elméleti modellek.

Várható impakt, további kutatás

Munkám során sikerült több olyan jó hővezető képességgel bíró polimer mátrixú mono- és hibridkompozitot kifejlesztenem, amely az ipar számos területén alkalmazható különböző hűtőrendszerekben. Ezen kompozitok nagy előnye, hogy a hagyományos műanyagipari eszközökkel is könnyen, gazdaságosan feldolgozhatók és az alkalmazott töltőanyagoknak köszönhetően nem károsítják azt. Az általam kidolgozott matematikai modell és mérési módszer szintén jól hasznosítható, hiszen a kompozitok hővezetési tényezőjét nagy pontossággal előrejelzi.

A jövőben szeretnék olyan hibridkompozitokat kifejleszteni, amelyek a hővezetést javító töltőanyagok mellett rövid, illetve hosszú szálú erősítőanyagokat is tartalmaznak. Ezek előnye, hogy nem csak az elektrotechnikai eszközök hűtését segíti, hanem szerkezeti anyagként is funkcionálnak. Ezzel a lépéssel jelentősen kiterjeszthető ezen anyagok alkalmazhatósága.

Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény

Kapcsolódó saját publikációk listája:

[P1.] J. G. Kovács, G. Körtélyesi, N. K. Kovács, A. Suplicz: Evaluation of measured and calculated thermal parameters of a photopolymer. International Communication in Heat and Mass Transfer, 38, 863-867 (2011). (IF=1,892)

[P2.] Kovács N K, Suplicz A, Kovács J G: Gyors prototípusgyártás, mint újszerű fröccsöntő szerszámozási technológia. Műanyagipari Évkönyv, 9, 45-53 (2011).

[P3.] A. Suplicz, J. G. Kovács: Development of thermally conductive polymer materials and their investigation. Material Science Forum, 729, 80-84 (2013).

[P4.] J. G. Kovács, A. Suplicz: Thermally Conductive Polymer Compounds for Injection Moulding: The Synergetic Effect of Hexagonal Boron Nitride and Talc. Journal of Reinforced Plastics and Composites, 32, 1234-1240 (2013). (IF=0,902)

[P5.] Suplicz A, Szabó F., Kovács J G: Anyagvizsgálati módszerek fejlesztése fröccsöntési alkalmazáshoz. Műanyagipari Évkönyv, 11, 34-41 (2013).

[P6.] A. Suplicz, F. Szabo, J. G. Kovacs: Injection molding of ceramic filled polypropylene: The effect of thermal conductivity and cooling rate on crystallinity. Thermochimica Acta. 574, 145-150 (2013). (IF=1,989)

[P7.] Suplicz A., Kovács J. G.: Hővezető polimerek az elektrotechnikában – hibrid rendszerű töltőanyagok alkalmazásának előnyei. Műanyag és Gumi, 4, 156-160 (2014).

[P8.] L. Zsíros, A. Suplicz, G. Romhány, T. Tábi, J.G. Kovács: Development of a novel color inhomogeneity test method for injection molded parts. Polymer Testing (megjelenés alatt). DOI: 10.1016/j.polymertesting.2014.05.009 (IF=1,646)

[P9.] T. Tábi, A. Suplicz, T. Czigány, J. G. Kovács: Thermal and mechanical analysis of injection moulded Poly(Lactic Acid) filled with Poly(Ethylene Glycol) and talc. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry (benyújtva) (IF=1,982)

 

[P10.] A. Suplicz, J. G. Kovacs: Analysing the thermal properties of the PolyJet photopolymer. Gépészet 2010: Proceedings of the Seventh Conference on Mechanical Engineering. Budapest, Magyarország, 2010.05.25-2010.05.26. Budapest: Budapest University of Technology and Economics, pp. 153-159. (ISBN: 978-963-313-007-0).

[P11.] A. Suplicz, J. G. Kovacs: Development of thermal conductive hybrid composites. Proceedings of the 15th European Conference on Composite Materials (ECCM15). Velence (I), Olaszország, 2012.06.24-2012.06.28. pp. 1-6. Paper 1562. ISBN: 978-88-88785-33-2.

[P12.] Suplicz A., Szabó F., Kovács J. G.: Hővezető polimerek fejlesztési lehetőségei és vizsgálati módszerei (Development possibilities and analyzing methods of thermally conductive polymers). Nemzetközi Gépészeti Találkozó – (OGÉT), Arad, Románia, 2013. április 25-28., pp. 346-349. ISSN: 2068-1267

[P13.] Szabó F., Suplicz A., Kovács J. G.: Anyagtulajdonságok újszerű mérési lehetőségei (Novel methods for material properties measurements). Nemzetközi Gépészeti Találkozó – (OGÉT), Arad, Románia, 2013. Április 25-28., pp. 350-353. ISSN: 2068-1267.

[P14.] J. G. Kovacs, A. Suplicz: Improved thermal properties with hybridization of the fillers for thermoplastic materials. Proceedings of the 19th International Conference on Composite Materials. Montreal, Canada, 2013.07.28-2011.08.02. ICCM, pp: 4011-4018. ISBN:978-0-9696797-1-4.

 

Hivatkozások listája:

[1] Amesöder S., Heinle C., Ehrenstein G.W., Schmachtenberg E.: Injection moulding of thermally conducting polymers for mechatronic applications. The Polymer Processing Society 23rd Annual Meeting, Salvador, Brasil (2007).

[2] Han Z., Fina A., Thermal conductivity of carbonnanotubes and their polymer nanocomposites: A review. Progress in Polymer Science 36, 914-944 (2011).

[3] Zhou T., Wang X., Cheng P., Wang T., Xiong D., Wang X.: Improving the thermal conductivity of epoxy resin by the addition of a mixture of graphite nanoplatelets and silicon carbide microparticles. eXPRESS Polymer Letters 7, 585-594 (2013).

[4] Zhou W, Qi S, An Q, Zhao H, Liu N. Thermal conductivity of boron nitride reinforced polyethylene composites. Material Research Bulletin, 42, 1863-1873 (2007).

[5] Gu J, Zhang Q, Dang J, Zhang J, YangZ. Thermal Conductivity and Mechanical Properties of Aluminum Nitride Filled Linear Low-Density Polyethylene Composites. Polymer Engineering and Science, 49, 1030-1034 (2009).

[6] Petroski J.: Thermal Challenges In LED Cooling. Electronics Cooling. 01.11.2006.

[7] Maglic K. D., Cezairliyan A., Peletsky V. E.: Compendium of Thermophysical Property Measurement Methods. Plenum Press, New York, 1984.

[8] Azeem S., Zain-ul-Abdein M.: Investigation of thermal conductivity enhancement in bakelite-graphite particulate filled polymeric composite. International Journal of Engineering Science, 52, 30-40 (2012).