熱伝導フィラーの種類と用途は？

ゴムの熱伝導率

ゴムは熱伝導性に乏しいが、実用上の使用条件を満たすためには一定の熱伝導率が必要である。熱伝導率を有するゴム製品は広く使用されており、熱伝導率の向上はゴム製品の性能に大きな影響を与える。例えば、電子部品の絶縁・熱伝導部品に使用されるゴム材料は、温度が2℃上昇すると信頼性が10％低下する。そのため、熱伝導率の高いゴム複合材料は、熱を効率よく伝えることができ、電子製品の高密度化、小型化、信頼性向上に大きな意味を持つ。

また、タイヤに使用されるゴム材料は、低発熱で高熱伝導という特性を持つ必要がある。一方では、ゴムの熱伝導性能を向上させ、加硫効率を高め、エネルギー消費量を減らすことができる；他方では、高い熱伝導性は、高速走行の過程でタイヤが発生する熱を適時に導き出し、タイヤ本体の温度を下げ、過度の温度による性能低下を抑えることができる。

車が高速で走っている時、摩擦熱と変形熱は車輪の速度が上がるにつれて著しく増加する。この熱を素早く逃がさないと、タイヤの温度上昇やそれに伴うタイヤ内部の空気圧の上昇を招き、ゴムの老化を早めたり、タイヤの破裂を引き起こしたりして事故につながります。

熱ゴムの熱メカニズム

熱伝導ゴムは、固有熱伝導ゴムと充填熱伝導ゴムに分けられる。固有熱伝導ゴムは合成工程が複雑でコストがかかるが、充填熱伝導ゴムは価格が安く加工が容易である。従って、熱伝導性ゴムは一般に熱伝導率の高い充填剤を充填して調製される。充填された熱伝導性ゴムの熱伝導率は、主にゴム基材、熱伝導性フィラー、およびそれらの共通界面に依存する。

熱伝導性フィラーは主要な熱伝導性担体であり、粒子状であれ繊維状であれ、それ自体の熱伝導率はマトリックス材料よりもはるかに大きい。フィラーの熱伝導率が小さい場合、フィラーは系内に均一に分散させることができるが、両者の間に接触や相互作用は形成されない。このとき，系全体の熱伝導率に対するフィラーの寄与は大きくない。しかし、充填量が臨界点に達すると、フィラー同士が接触・相互作用し始め、系内に鎖やネットワークに似た構造が形成され、これを熱伝導ネットワーク鎖と呼ぶ。熱伝導ネットワークチェーンの方向が熱の流れ方向と平行である場合、システムの熱伝導率は大幅に改善されます。

熱伝導フィラーの種類

ゴム材料の電気的特性により、断熱タイプと非断熱タイプに分類される。断熱ゴムは主に航空宇宙、兵器、動力管、集積ブロック、ヒートパイプなどの機器に使用されるほか、マイクロエレクトロニクス、通信機器、モーター、電気機器などの絶縁熱伝導部品を必要とする機器に使用されます。主に使用される断熱フィラーは窒化物、炭化物、金属酸化物である。

熱非絶縁ゴムは、主に熱交換器、太陽熱温水器、バッテリークーラーなどの分野、化学生産、廃水処理などの分野で使用されています。一般的に使用される充填剤は、主に金属粉、炭素繊維、黒鉛、カーボンブラックなどである。

では、最も一般的なゴム製品であるタイヤは、断熱ゴム材料なのか非断熱ゴム材料なのか？答えは、トラックのタイヤは絶縁されているのに対し、飛行機のタイヤは電気を通す必要があるからだ。航空機は飛行中、大気との摩擦によって機体に付着した大量の電荷を発生させる。航空機には静電気を逃がすための放電ブラシがあるが、完全に逃がすことはできないので、乗客が飛行機から降りるときに静電気放電が起こり、非常に危険である。航空機のタイヤが導電性であれば、飛行中に蓄積された大量の静電気を最大限に放出することができ、事故を減らすことができる。

"熱伝導性絶縁ゴム "の熱伝導性フィラー

* 窒化物・炭化物の充填

絶縁性が良く、熱伝導率の高い窒化物・炭化物には、主に窒化アルミニウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化ケイ素、炭化ホウ素、炭化チタンなどがあります。これらの無機セラミックフィラーをゴムマトリックスに充填することで、総合特性の良い熱伝導性絶縁ゴムを調製することができる。

* 金属酸化物の充填

酸化ベリリウム、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化ケイ素などの金属酸化物は比較的熱伝導率が高く、ゴムに充填することで熱伝導性と絶縁性を付与し、良好な物理的・機械的特性を持たせることができる。

例えば、アルミナを充填したシリコンゴムは、電子部品の熱伝導層として使用できる。アルミナの量がシリコンゴムの3倍の場合、材料の熱伝導率は2.72W/(m・K)に達する。

* 複合フィラー

単一のフィラーを使用してもアプリケーションのニーズを満たすことができない場合があり、複合フィラーを使用する必要があります。例えば、シリコーンゴムに熱伝導率が15W/(m・K)以上の精製シリカ粉末とカーボンブラックを充填すると、熱伝導率が0.4W/(m・K)以上、抵抗率が1012Ω・cm以上の断熱複合ゴムができます。

"熱伝導性非絶縁ゴム "の熱伝導性フィラー

* 金属粉末の充填

アルミニウム粉末をゴムに充填することで、ゴムの熱伝導率を大幅に向上させるだけでなく、総合性能に優れたゴム製品を製造することができます。金属アルミニウム粉末とステアリン酸で処理した水酸化アルミニウム粉末を添加することにより、v-0（UL94）、熱伝導率1.09W/(m・K)のシリコンゴムを調製することができる。

* カーボンブラック、グラファイト、カーボンファイバーの充填

カーボンブラックやグラファイトは熱伝導率が高く、炭素繊維の中には熱伝導率が1200W/(m・K)に達するものもあるため、ゴムに充填して熱非絶縁ゴムを製造することができる。

* 複合フィラー

ランプブラック50部を充填したブチルゴムにチタン酸バリウムを添加すると、ゴムの熱伝導率が変化する。チタン酸バリウム粉末を20部添加した場合、ブチルゴムの熱伝導率は最大となった。また、銀粉末と窒化ホウ素、白金系難燃剤を充填することで、難燃性と熱伝導率を両立させたシラスチック材料を調製することもできる。一定の比率で、熱伝導率が14W/(m・K)、難燃グレードがv-1(UL 94)となる。

一般に、ゴムマトリックスの熱伝導率は小さく、複合材料の熱伝導率にはほとんど影響しない。したがって、熱伝導率の主な影響因子は、熱伝導性フィラーの種類、充填量、粒径、形状、およびマトリックスとフィラー間の界面熱抵抗である。

- 終わりに

著者について

キャシー・モンタネスはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）のプロジェクト・サイエンティスト。かつては同大学材料科学・工学部の研究教授を務め、現在は耐火金属、セラミックス、実験用るつぼ、粉砕バーなど、SAM製品の性能試験と技術指導を担当している。