PT95472A

PT95472A - Material composito bom condutor do calor

Info

Publication number: PT95472A
Application number: PT9547290A
Authority: PT
Inventors: Ralf Criens; Franz Boetzl; Dietrich Fleischer; Guenther Kirsch
Original assignee: Siemens Ag
Priority date: 1989-10-02
Filing date: 1990-10-01
Publication date: 1991-06-25
Also published as: JPH03126765A; DE3932882A1; EP0421193A1; CA2026452A1; IE903510A1

Description

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Descrição referente á patente de invenção de SIEMENS ΑΚΤIENGESELLSCHAFT alemã* industrial e comercial, com sede em Vittelsbacherplatz 2, D-SOOO Munchen, República Federal Alemã e de HQECHST AKTIEIGESELLSCHAFT, alemã, industrial e comercial, com sede em D-623Q Frankfurt am Main 80, República Federal Alemã, íinventores: Dr. RALF CRIEIS, DR. FRAIZ BOETZL, DR. DIETRICH FLBISCHER e DR. GUBHTHER KIRSCH, residentes na República Federal Alemã), para »MATERIAL CQMEQ-SITO BOM CONDUTOR DO _CALQR”. P..B-SLS.....R-.I—Ç—Q. A presente invenção refere-se a um material compósito altamente resistente ao calor, bem como à sua utilização. A crescente miniaturização dos componentes electrónicos e o aumento da densidade de integração que isso implica dos circuitos e componentes electrónicos cria problemas devido ãs perdas de calor resultantes no componente em serviço. Também devido ãs elevadas densidades de potência crescem as quantidades de calor a dissipar nos componentes, a fim de evitar a sua danificação por sobreaquecimento.

Em invólucros ou caixas fechadas dos componentes, o calor de perdas gerado tem de ser dissipado 1

através do material do invólucro ou da caixa. Os invólucros conhecidos de materiais termoplásticos sem material de enchimento apresentam na realidade o isolamento eléctrico bom necessário» mas possuem muitas vezes apenas uma condutividade térmica insuficiente, de cerca de 0,2 a 0,4 WmK.

Para aumentar este valor baixo de condutibilidade térmica, utilisam—se materiais plásticos com enchimento de partículas apropríadamsnte condutoras do calor. Ha patente europeia 167 000, propõe-se a utilização de partículas de aiuminio como material de enchimento. As partículas de material de enchimento são então revestidas com uma camada fechada de polietileno, a fim de garantir um isolamento eléctrico suficiente do material plástico com uma tal carga. Conseguem-se de facto valores de condutividade térmica de cerca de 2 a 5 W/mK, mas não uma resistência á tensão suficiente para satisfazer todos os requisitos para a utilização em componentes com tensão de serviço de 220 7, O objectivo da presente invenção consiste portanto em proporcionar uia material que apresenta uma boa condutividade térmica, de pelo menos 1,5 W/mK, que seja isolante eléctrico e apresente uma tensão de disrupção que permita uma utilização para componentes que trabalham com tensões efectivas de 220 ¥.

Segunda a presente invenção» este problema resolve-se por meio de um material compósito altamente resistente ao calor, constituído par: - 15 a 50 %, em peso, de um polimero termoplástico altamente resistente ao calor, com uma indeformabilidade pelo calor maior ou igual a 1602 C, e - 50 a 85%, em peso, de um material de enchiraento cristalino mineral, com uma condutibilidade térmica igual/maior que 10 V/mk, apresentando o material compósito suseeptivel de ser extrudido 2

e de ser moldado por injecçao uma condutibilidade térmica de pelo menos 1 W/mK, uma indeformabilidade pelo calor igual/ /maior que 1802 C e uma resistência á disrupçao maior/igual a 3 KV/mm.

Outras formas de realização aperfeiçoadas da presente invenção» bem como uma utilização deste material compósito encontram-se nas reivindicações secundarias. O núcleo da presente invenção baseia--se nas propriedades vantajosas e também surpreendentes do material compósita segundo a presente invenção. Até agora, os materiais de enchimento minerais e duros só com grandes dificuldades podiam ser trabalhados, visto que a dureza das partículas dos materiais de enchimento usados tinha como consequência uma enorme abrasão dos aparelhos usados, sendo o processamento portanto pouco económico. Também até agora um tal processamento só era possivel com determinados materiais de enchimento. Surpreendentemente, o material compósito segundo a presente invenção mostra ter uma grande possibilidade de ex-trusão <a é susceptivel de moldação por injecção até um teor máximo de material de enchimento de 85%, em peso. Os valores de condutibilidade térmica conseguidos na gama indicada são superiores a 1,5 W/mK, podendo simultaneamente obter-se uma resistência à disrupção de 3 KV eficazes/mm, e mais. Isso torna o material de enchimento eminentemente apropriado para a fabricação de invólucros, caixas, etc. de componentes eléctri-cos e electrónicos, nos quais sejam necessárias uma elevada condutibilidade térmica e ao mesmo tempo um bom isolamento eléctrico. Qs teores elevados de material de enchimento e as propriedades com eles obtidas do material compósito são passíveis mediante a escolha do polímero utilizada. Á resistência às temperaturas e á deformação pelo calor exigidas é satisfeita por exemplo pelos chamados materiais termoplásticas para altas temperaturas, os quais apresentam simultaneamente outras - 3 - 1 boas caracteristicas muito convenientes para o material compósito. Estes polímeras apresentam estruturas altamente ordenadas e criam portanto espaço suficientemente para as partículas de material de enchimento até aos elevados graus de enchimento referidos. Estes polímeros mostram então, nas condições de processamento, em especial pressões e temperaturas de processamento elevadas, uma boa capacidade de fluência, de modo que, apesar do elevado teor de matérias de enchimento, não é necessário utilísar forcas substancialmente maiores para o material composito. Evita-se então também simultaneamente um desgaste prematura dos dispositivos de processamento usados e portanto o encurtamento da sua duração.

Os materiais termoplásticas aliamente resistentes ao calor, que são também apropriados para o material compósito segundo a presente invenção, são polímeros de cristais líquidos <LC?>, o polissulfureto de fenileno <PPS>, a polieterimida CPEI), a poli et erasu1i ona <PSS>, a polietereter-cetona ÍPESE), a polissulfona <PSU>, a poliariletercetona, a poliamida/ímida <PAI>, as poliamidas <PI>, bem como diversas poliamidas (por exempla PA 46, PA 11 e PA 12). São particularmente apropriados para o material compósito segundo a presente invenção os polímeros de cristais liquxdos, os quais, como o próprio nome indica, apresentam uma estrutura altamente ordenada já no estado liquido. Com estes polímeros obtém-se os maiores graus de enchimento.

Os polímeros de cristais liquidas preferidos apresentam estruturas pelo menos parcialmente aromáticas e são escolhidos do grupo formado pelos copaliésteres, o poliéster carbonata e o poli esteramida.

Para um material compósito bom condutor do calor são necessários materiais de enchimento que apresentam também uma elevada condutibilidade térmica e sejam então isolantes eléctricos. São sobretudo materiais de enchimen- 4 * c

to cristalinos, nos quais a condução térmica se realiza por osciliação da rede cristalina (foaoes), mas não por contribuição de electroes. Garantem-se desse modo as caracteristicas de isolamento eléctrico do material de enchimento e portanto do material compósito.

Sas, para uma elevada condutividade térnmica do material compósito, não é decisiva em primeira linha a condutividade da material de enchimento, mas sim a percentagem, em volume, desse material de enchimento no material compósito. O critério de escolha de um bom material de enchimento é portanto a sua compatibilidade com o material termoplástico ou a sua capacidade de, em combinação com materiais termoplásticos apropriados, se conseguir um elevado grau de enchimento.

Gs materiais de enchimento apropriados s-ao escolhidos da classe constituida pelos óxidos, nitre-tos e carbonetos de elementos dos grupas principais terceiro ao sexto. Tais compostos, que se contam no grupo das cerâmicas sinteriçadas, são por exemplo o nitreto de alumínio, o óxido de alumínio, o nitreto de boro, o carboneto de silício, o carboneto de boro e o nitrito de boro. Um material de enchimento com o qual podem obter-se caracteristicas particularmente boas do material compósito é o nitrato de alumínio. Devido ao seu elevado custo, a sua utilização em grande escala não é no entanto económica. Dentro deste ponto de vista deve utilizar-se o óxido de alumínio. O carboneto de silicio representa um bom compromisso entre a economia e as boas caracteristicas. Mas um material compósito com este material de enchimento mostra uma resistência relativamente baixa á disrupçâo, pois o carboneto de silicio é um semicondutor fraco.

Vantajosamente, as partículas do material de enchimento apresentam dimensões dos grãos menores que 50 raicrometros, â forma das partículas é então qualquer, de- 5 pendendo apenas do processo de fabricação. Ba realidade, com a utilização de fibras curtas como material de enchimento,obtém-“se um material de enchimento que apresenta propriedades de condução do calor extraordinariamente boas, mas até agora o emprego das fibras não é económico devido ao seu elevado preço. Ho caso de um material de enchimento com partículas apro-ximadamente es£6ericas obtêm-se teores de material de enchimento de por exempla 50 %, em volume, o que, conforme o material de enchimento e o polímero, corresponde por exemplo a 70%, em peso. Obtêm-se com ele valores de condutividade térmica de cerca de 2 W/mfc.

Com os materiais termoplásticos e o® materiais de enchimento indicados, obtêm-se materiais compósitos dentro da referida gama, que podem já nesta forma ser trabalhados, são susceptíveis de ser extrudidos a quente e moldados por injecçâo e que são bem adequados para as referidas utilizações eléctricas e electrónicas. Ho entanto, podem conter, para fins especiais, outros materiais de enchimento no material compósita, pode tratar-se de aditivas usuais para a obtenção de determinadas caractsristicas, podendo ser escolhidas do grupo formada por agentes anti-estática, estabilizadores ao calor e á luz, pigmentas, corantes, meios auxiliares ópticos, meias auxiliares para a desmoldação, aditivos contra a inflamação ou meios lubrificantes. Como já foi referido, não são necessários para o material compósito referido quaisquer aditivas, Em especial os materiais compósitos com LCP como material termoplástico satisfazem os requisitos da protecção contra incêndios da classe UL 94 ¥0 e são também fáceis de trabalhar. Hão obstante, obtêm-se para alguns materiais compósitos outras vantagens pela adição, em especial, de meios lubrificantes, em especial uma maior facilidade de serem trabalhados. São aditivos vantajosos portanto os álcoois gordos, o éster do ácido di-carbónico, ésteres de ácidas gordos, sabões de ácidos gordos e amidas de ácidos gordos, ou compostos deles 6

derivados. Podem, por exemplo incluir-se num material compósito uma ou ma is ceras, numa percentagem de 0,05 a 10 %, em peso em especial entre O,1 e 3%, em peso. Tais ceras são por exemplo escolhidas no grupo formado pelas ceras de linkite, que têm cerca de 26 a 32 átomos de carbono, ácidos dicarbónicos sintéticas, cam mais de 20 átomos de carbono, as seus ésteres e sabões, ceras de parafina-polietileno @ polipropileno e seus óxidos, bem como ceras de amidas.

Os materiais compósitos devem ser trabalhados como os materiais termoplásticos usuais. Uma aparelhagem apropriada para trabalhar o material compósita é, por exemplo, uma descrita no pedido de patente europeu 199 340, Para produzir o material compósito fas-sa a extrusão do material termoplástico apropriado sob a forma de granulado, juntamente com o material de enchimento. O material assim obtido pode ser de novo transformado num granulado e ser trabalhado, nesta forma, em instalações de mo1dação por injecção para obter os componentes apropriados, lias grandes instalações ê também possível trabalhar o material de enchimento por amassadura nos polímeros.

Indicam-se a seguir, como exemplos de realização, três composições para um material compósito de acordo com os ensinamentos da presente invenção, bem como uma figura que ilustra a sua utilização.

ExemplO—l

Faz-se, num extrusor de parafuso duplo, como se descreve por exemplo no pedido de patente europeu 199 340, a extrusão de uma mistura constituída por 70 %, em peso, de um polímero de cristais líquidos <por exemplo Ysctra C 950, da firma Hoechst/Celaaese). Â partir desta mistura exirudida, fabricam-se peças moldadas por injecção normalizadas para a determinação dos parâmetros eléctricos e físicos. 0 material 7

compósita possuí uma condutivi dade térmica de 2 WmK, uma. resistência especifica de passagem de mais de 5 KV /mm e uma temperatura de utilização permanente de mais de 1502G, São satisfeitas as especificações de protecção contra incêndios segundo UL 94 ¥0, até uma espessura de 2 mm. 0 material compósito pode ser usado para dissipação das perdas térmicas em cairas, invólucros ou outros corpos usadas cama corpos de refrigeração.

De maneira correspondente á do tíxemplo 1, fez-se a extrusâo de uma mistura de 60%. em peso, de carboneto de silício <por exemplo Silcar Η, da ElelrfcroschmeIzT-?er&: Kemplten) e 40%, em peso, de LCP (por exemplo Vsctrâ C 950). , as peças moldadas por injecçêio a partir desta mistura apresentam uma condutividade térmica de 1,5 ¥/iak, uma resistência especifica de passagem de mais 10'·s ohm cia, uma tensão de dis-rupção de 3 EVo!' e uxaa temperatura de utilização permanente de pelo menos 1502C. São satisfeitas as especificações de prote-cçao contra incêndios segunda UL 94 VQ, até 2 mm.

De maneira correspondente fez-se a extrusâo de uma mistura de 35 %, em peso, de nítreta de alumínio (firma BSK) e 65%, em peso de LCP. As peças moldadas por injecção apresentam uma tensão de disrupção superior a 5 KV *'·*'/mm, uma resistência especificai de passagem superior a 1G': Ohm cm e uma temperatura de utilização permanente de pelo menos 1502 G. São satisfeitas as especificações contra incêndios segundo UL 94 V0. â figura mostra esquematicamente, em corte transversal um invólucro fabricada com o material compósito segundo a presente invenção para um componente electró-nico. S -

Claims

Está representado um componente ele-ctrónica de potência (por exemplo para um automóvel), que está encasulado para protecção contra as influências do ambiente. Do componente montado numa placa de circuitos impressos <2), na figura está representado apenas um transístor de potência <4> e um componente <3). O componente total <2,3,4) recebe, injectado á sua volta, o material compSosito segundo a presente invenção, de modo que o componente de potência <i) está en-cpasulado hermeticamente contra as influências do ambiente, por exemplo a humidade. Através da ficha de ligação (5) pode estabelecer-se o contacto eléctrico para a alimentação de corrente , - lâ - Material compósito altamente resistente ao calor, caracterizado por ser constituido por: - 15 a 50% em peso, de um polietileno termoplástico muito resistente ao calor, com resistência á deformação pelo calor superior a 1802 C e - 50 a 85%, em peso, de um material de enchimento mineral cristalino com uma condutividade térmica superior ou igual a IO W/mK, acrescentando o material compósito susceptivel de ser extrudido e susceptivel de ser moldado por injecçâo uma condutividade térmica de pelo menos 1 W/raK, uma resistência á deformação pelo calor superior ou igual a 1802 C e uma rigidez dieiéctrica superior ou igual a 3 KY/mm, - 2§ - Material compósito de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por conter 20 a 35%, em peso, de polimero. - 32 - Material compósito de acordo com as reivindicações 1 ou 2, earacterisado por o polimero muito resistente ao calor ser um termoplástico e ser escolhido do grupo formado por polímeros com cristais liquido© <LCP>, sulfure-to de polifenileno <PPS), palieterimi da CPEI), polieterssul-fona <PES>, polieteretercetona <PEEK>, polietilenotereftalato <PET>, polissulfona <FSU>, poliariletercetona, poliamída/imida <PAI>, polimida <PI> e poliamida <PA>. - 4B - Material compósito de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 3, caracterizado por o material de enchimento ser uma cerâmica sínterisada e escolhida do grupo formada pela nitreta de aluminia, o óKido de aluminio» o nitreta de boro , o carboneto de silício, o carboneto de boro e o nitreta de silicio. - 5ã - Material compósito de acordo com uma qualquer das reivindicações 1 a 4, caracterizado por ser constituído por: 20 a 35%, em peso, de um polímero de cristais líquidos e S5 a 60%, em peso de um material de enchimento mineral com uma con-dutividade térmica superior a 30 W/mfc e uma resistência de passagem superior a 101® Ohm cm, - Q— - Material compósito de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por compreender pelo menos um polimero parcialmente aromático com cristais líquidos, escolhido do grupo formado por copoliéster, poliéstercarbonata e poliesteramida. - 7â - Material compósito de acordo com pelo 10 -

menos uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por o mate-rial de enchimento apresentar dimensões dos grãos inferiores a 5G/j.m, - Sã - Material compósito de acordo com pelo menos uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado por o material de enchimento estar presente sob a forma de fibras curtas. - 91 - Material compósito de acordo com pelo menos uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por conter outros aditivos usuais, escolhidos no grupo formado por agentes anti-estática, estabilizadores ao calor e á luz, pigmentos corantes aclaradores ópticos, meios para auxiliar a desraolda-ção, produtos pára-ehamas e meios de deslizamento e lubrificantes, em especial álcoois gordos, ésteres do ácido dicarbó-nico, ésteres de ácidos gordos, ácidos gordos, sabões de ácidos gordos e amidas de ácidos gordos. - 101 - Material compósito de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por conter 0,05 a 1G%, em peso, de uma ou várias ceras, escolhidas do grupa formado por ácidos de cera de linhite (com 26 a 32 átomos de C) ácidos di-carbónicos sintéticos com mais de 20 átomos de C, os seus ésteres e sabões, ceras de parafina, de polietilena e de poliprapilena e os seus oxidados, bem como cera de amido. - 111 - Material compósito de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por conter O,1 a 5%, em peso de ceras. 11 - 121 - Material compósito de acordo com as reivindicações anteriores earacterisado par* ser utilizado para peças isoiantes eléctricas e boas condutoras da calor em componentes eléctricos e eleetrónicos, em especial como coberturas, invólucros e caixas. As requerente© reivindicam a prioridade do pedida aleraaa apresentado em 2 de outubro de 1939, sob o m. P 3932882. 1. Lisboa, 1 de Outubro de 1990

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