Трансэнергопластики: новый вызов металлам

Внедрение в нашу жизнь новых конструкционных материалов всегда было и будет одним из самых эффективных рычагов развития технологий. Появление в ХХ веке принципиально новых — полностью искусственно созданных человеком материалов — пластмасс — существенно изменило окружение человека, упростило его жизнь. Пластмассы агрессивно и последовательно отвоевывают позиции в современном мире у своего основного конкурента — металлов


В поисках альтернативы

Напомним, что в основе технологий изготовления металлических деталей лежат многостадийные операции удаления (токарная, фрезерная обработка, сверление и прочие) от первоначальной заготовки (в виде отливки либо проката) «ненужных» объемов металла до тех пор, пока не будут получены требуемые размеры и конфигурация деталей. Естественно, при этом стремительно растет стоимость изделия, образуется большое количество отходов.

Для пластмасс характерна одностадийность базовой технологии их переработки — литья под давлением. За несколько секунд россыпь невзрачных гранул превращается в красивые, прочные, высокоточные, полностью готовые к эксплуатации изделия. Это практически безотходное производство. Внедрение пластмассовых деталей позволяет кардинально снижать цены на сложные изделия, улучшать их потребительские характеристики, делать их легкими и эстетичными. Во многом именно благодаря этому и стало возможным широкое внедрение в нашу жизнь сложной бытовой техники (со- временный мобильный телефон содержит 70-80% пластмассовых деталей, пылесос — 80-90%, автомобиль — 30-40%, электрический кабель и провода — 30-70%).

Совершенно понятны стремления производителей новых изделий максимально использовать в них детали из пластмасс вместо металлических. Однако в ряде технических приложений (и в первую очередь там, где требуется способность конструкционного элемента эффективно проводить тепловую и электрическую энергию) внедрение пласт- масс взамен металлов до последнего времени не представлялось возможным. Причина кроется в различии их способности передавать через себя (транспортировать) тепло и электричество, а это — два из трех наиболее широко распространенных в при- роде фундаментальных видов энергии (механической, тепловой и электрической).

Все без исключения пластмассы одинаково плохо проводят (транспортируют) через себя потоки тепла и электричества. Причина этого заключается в самой высокомолекулярной природе их структуры (молекулярная масса полимеров может достигать значений в нескольких миллионов единиц).

Однако сегодня благодаря появлению специального оборудования для компаундирования высоко- и сверхвысоконаполненных полимерных композитов, выходу на рынок мелкодисперсных теплопроводящих наполнителей и проведению большого объема экспериментальных исследований становится возможным создание промышленных полимерных композитов с принципиально улучшенной способностью проводить тепловую и электрическую энергию (рис. 2). Эти новые материалы получили название трансэнергопластиков.

Потенциальный рынок применения трансэнергопластиков образует большой круг современных приборов и изделий, в которых наблюдаются интенсивные энергообменные процессы (обмен теплом, пре- вращение электричества в тепло, электрохимические превращения). Без таких изделий просто невозможно себе представить развитие энергетики, радиоэлектроники, светотехники, теплотехники.

В соответствии с видом передаваемой энергии трансэнергопластики разделяются на два основных класса — электропроводящих и теплопроводящих (называемых также теплорассеивающими — по методу применения) пластиков.

Электропроводящие пластики

Способностью проводить электрическую энергию эти полимеры превосходят традиционные пластики в 10-1013 раз (соответственно, их поверхностное электрическое сопротивление Rs изменяется в пределах от 10 до 1013 Ом).

В зависимости от величины электрического сопротивления эти пластики под- разделяются на группы, каждая из которых имеет свою область применения.

Антистатические (Rs от 109 до 107 Ом): применяются для изготовления деталей, обеспечивающих (в отличие от обычных пластмасс) возможность их использования во взрывоопасных условиях: шахты, рудники нефтегазопромыслы, химические производства, склады специального хранения. Неизбежно возникающее в атмосфере статическое электричество благополучно, без образования искр уходит с поверхности изделий, сделанных из таких пластмасс.

Электрорассеивающие (Rs от 107 до 105 Ом): для производства специальной тары (в том числе тары-спутника для производства полупроводниковых микросхем) для предохранения микросхем и других электронных компонентов от повреждения их статическим электричеством.

Электропроводящие (Rs от 105 до 102 Ом): для изготовления корпусов, тары, деталей специальных устройств.

Экранирующие ЭМИ (электромагнитные излучения) (Rs от 102 до 1 Ом): применяются в кабелях специального назначения, устройствах для электролиза (в том числе особо чистых веществ), кабелях для анодной защиты любых металлических сооружений и трубопроводов от электрокоррозии, корпусах и оболочках, экранирующих (ослабление до 30 дБ) электромагнитное излучение в широком спектре (до 12 ГГц).

Один из примеров использования электропроводящих пластмасс — гидросенсорные кабели.

По данным МЧС и экспертов страховых компаний, причиной большинства техногенных происшествий являются события, связанные с несанкционированным воз- действием на технические объекты воды (наводнения, прорывы трубопроводов, за- топления) и огня (пожары). Поэтому наличие систем сигнализации о наступлении критических ситуаций, связанных с водой и огнем, является обязательным практически для всех технически сложных объектов.

Центральными элементами таких систем являются датчики наличия воды. Подавляющее их большинство — точечные датчики, они снимают соответствующую информацию (факт замыкания водой двух контактов) лишь в точке своего местоположения. Это означает, что для эффективного контроля на протяженных технических объектах (на- пример, городская система горячего водо- снабжения) необходимо установить большое количество датчиков. При этом каждый дат- чик должен иметь свою линию коммутации с интерфейсами оповещения. Для изготовления надежных, «долгоживущих», не подверженных коррозии сенсорных поверхностей датчиков воды необходимо использовать до- рогостоящие коррозионостойкие покрытия из благородных металлов. Соответственно возрастает и цена единичного датчика.

В то же время существуют другие технические решения, позволяющие принципиальным образом расширить возможности гидросенсорных систем и при этом радикально снизить их стоимость.

Речь идет о так называемых гидросенсорных кабелях, в которых в качестве ключевого сенсорного элемента используются медные провода с оболочкой из одной из разновидностей трансэнергопластиков — высокоэлектропроводящего гибкого полимерного композита.

Детектируемая капля воды благодаря гидрокапиллярному эффекту внутри волокнистого жгута (огибающего в виде восьмерки две сенсорные жилы) замыкает их электропроводящие полимерные оболочки. Обработка параметров возникшего за счет этого электрического сигнала ∆U позволяет точно вычислить (локализовать) конкретное место попадания воды на кабель.

В этих кабелях буквально каждый участок, каждый сантиметр оболочки, изготовленной из трансэнергопластика, играет роль сенсора. При этом становятся просто ненужными многочисленные дорогостоящие традиционные точечные датчики воды и линии их коммутации.

Такое решение позволяет многократно снизить затраты при прокладке подобных линий. Благодаря полимерной основе сенсорных жил обеспечиваются, соответственно, гибкость и высокая химическая стойкость кабеля. Он абсолютно не подвержен врагу всех металлов — коррозии, долгие годы может работать во влажной высокотемпературной среде, где выдерживают лишь точечные сенсоры, изготовленные из благородных металлов.

Теплопроводящие пластики

Такие пластики способны проводить через себя тепловую энергию в 5-100 раз лучше, чем традиционные полимеры. Их появление (инициированное заказами NASA для космических аппаратов) на рынке полимерных композитов эксперты оценивают как самое значительное достижение в этой области за последние 10-15 лет.

Эти материалы (их иногда называют «убийцами алюминия») призваны заменить металлические сплавы в многочисленных системах охлаждения современных электронных устройств, прежде всего в стремительно развивающейся индустрии производства энергосберегающих светильников на основе мощных светодиодов (LED-кристаллов).

Типовые значения коэффициента теплопроводности этих пластиков находятся в интервале 5-15 Вт/м·К. Это в десятки раз меньше теплопроводности алюминия. Однако в условиях естественного охлаждения (в которых и работает абсолютное большинство технических устройств) этих значений оказалось вполне достаточно для уверенной замены этими пластиками алюминия.

Возможность такой замены подтверждается как теорией предельных значений коэффициентов теплопроводности, превышение которых уже практически не приводит к увеличению эффективности охлаждения, так и экспериментально.

При практически одинаковой с алюминием и медью теплорассеивающей способности однотипные изделия, отлитые из теплопроводного пластика, весят в 2-5 раз меньше металлических, а их себестоимость в 2-10 раз ниже.

Одна из областей применения теплопередающих пластиков — фронтальные системы охлаждения LED-кластеров, относящиеся к бурно развивающемуся в настоящее время сегменту электротехнической промышленности — энергосберегающим светильникам на базе высокомощных светодиодов.

Проблема отвода нежелательного тепла — одна из центральных проблем разработчиков высокомощных светильников на основе LED-технологий. Выделяющееся при работе генерирующих свет кристаллов тепло необходимо постоянно отводить в окружающее пространство. В противном случае кристалл перегревается, что резко сокращает ресурс его работы. Традиционно охлаждение кристаллов осуществляется с помощью пластинчатых алюминиевых радиаторов, расположенных с задней (тыловой) стороны кристалла.

Существенно расширить возможности охлаждения позволяет новый, фронтальный способ охлаждения, предложенный российскими разработчиками. Он предусматривает дополнительное размещение радиаторов на лицевой (фронтальной) стороне платы со светодиодами. К этим радиаторам предъявляются очень строгие требования по точности изготовления: при своей сложной форме они должны безукоризненно вписываться в габариты так называемых «мертвых оптических зон». Если их изготавливать традиционно, из алюминия, то это резко увеличит стоимость светильника и практически нивелирует все преимущества фронтального охлаждения.

Примеры использования трансэнергопластиков иллюстрируют лишь некоторые преимущества этих материалов и призваны обратить внимание промышленности на возможности этих новых, эффективно управляющих тепловой и электрической энергией материалов.