New epoxy composites with enhanced thermal conductivity keeping electrical insulation

Abstract

La tendència creixent a la indústria electrònica de fer aparells cada vegada més petits, més lleugers i que treballin més ràpid provoca un augment de calor generat per efecte Joule, degut a l’augment de freqüència del pas d’electrons. Eliminar aquest excés de calor requereix la millora de la conductivitat tèrmica dels materials ja existents, ja que el mantenir la temperatura de treball d’aquests dispositius està directament relacionat amb l’eficiència, el temps de vida útil i la prevenció de fallades prematures dels equips. Alguns elements dels dispositius electrònics es recobreixen amb reïnes termoestables epoxídiques. Per aquesta raó, augmentar la conductivitat tèrmica d’aquestes reïnes, aïllants per naturalesa, mantenint l’aïllament elèctric, resulta de gran importància en diverses indústries com l’electrònica i l’elèctrica. El mètode més senzill i econòmic per assolir aquest propòsit és mitjançant l’addició de partícules a la matriu polimèrica. En aquesta tesis doctoral s’han utilitzat diferents tipus de partícules per aconseguir els objectius en diverses matrius epoxídiques: nitrur de bor (BN), alúmina (Al2O3), nitrur d’alumini (AlN), carbur de silici (SiC), grafit expandit (EG) i nanotubs de carboni (CNTs). Experimentalment, s’ha determinat la influència que cada material afegit té sobre les propietats finals dels materials compostos, especialment de les característiques mecàniques, tèrmiques i elèctriques. El millor resultat obtingut pels objectius proposats ha estat la combinació del 70 % en pes de BN i un 2.5 i 5 % en pes de EG, arribant a més d’un 1600 % de millora en conductivitat tèrmica respecte el material de partida. Les conductivitats tèrmiques obtingudes han estat de 2,08 i 2,22 W/m·K, respectivament. A més, aquests materials han mantingut resistivitats elèctriques prou bones, al voltant de 10^10 i 10^6 Ω·m respectivament.

La tendencia de la industria electrónica de crear dispositivos cada vez más pequeños, más ligeros y que trabajen más rápido lleva a un aumento en la producción de calor generado por efecto Joule, debido al aumento de la frecuencia de paso de los electrones. Eliminar este exceso de calor lleva a la necesidad de mejorar la conductividad térmica de los materiales ya existentes, ya que limitar la temperatura de trabajo de los dispositivos está directamente relacionada con su eficiencia, su tiempo de vida útil y previene la aparición de fallos prematuros de los equipos. Algunos elementos de estos dispositivos están recubiertos de resina termoestable epoxídica. Por esta razón, aumentar la conductividad térmica de estas resinas, aislantes por naturaleza, resulta de gran importancia en varias industrias como la electrónica y la eléctrica. El método más simple y económico para alcanzar este propósito es mediante la adición de partículas a la matriz polimérica. En esta tesis doctoral se han utilizado diferentes tipos de partículas en varias matrices epoxídicas: nitruro de boro (BN), alúmina (Al2O3), nitruro de aluminio (AlN), carburo de silicio (SiC), grafito expandido (EG) y nanotubos de carbono (CNTs). Se ha determinado experimentalmente la influencia de cada material añadido en las propiedades finales de los materiales compuestos, especialmente en sus características mecánicas, térmicas y eléctricas. El mejor resultado obtenido en cuanto a los objetivos propuestos ha sido la combinación del 70 % en peso de BN y un 2.5 y 5 % en peso de EG, alcanzando más de un 1600 % de mejora en conductividad térmica respecto al material de partida. Las conductividades térmicas alcanzadas han sido de 2,08 y 2,22 W/m·K respectivamente. Además, estos materiales han mantenido unas resistividades eléctricas suficientes, alrededor de 10^10 y 10^6 Ω·m, respectivamente.

The tendency in electronics to produce smaller and lighter devices with higher power output causes an increase of the generated heat (Joule effect) by the increase in the frequency of electrons. Evolve this exceeding heat cause the need to improve some properties that existent materials do not meet, since keeping the working temperature of these devices is directly related to efficiency, useful lifetime and prevention of premature equipment failures. Some elements of these devices are coated by epoxy resins and this is the reason why enhance the thermal conductivity of them, insulators by nature, is of great importance in several industries such as electronics and electrical. The most economic and simple technique to face this issue is still today through the addition of high thermal conductive fillers. In this doctoral thesis, boron nitride (BN), alumina (Al2O3), aluminum nitride (AlN), silicon carbide (SiC), expanded graphite (EG) and carbon nanotubes (CNTs) have been used. Experimentally, the influence of each filler has been determined in the final composites, especially in the thermal, mechanic and electric characteristics. The materials with the best performances in the proposed objectives were those of homopolymerized cycloaliphatic epoxy resin with the combined addition of 70 wt. % of BN platelets and 2.5 and 5 wt. % of EG. The values of thermal conductivity improved by more than 1600 % in reference to the neat epoxy and were 2.08 and 2.22 W/m·K, respectively. These materials also kept enough electrical insulation, in the range of 10^10 and 10^6 Ω·m, respectively.