IDTechEx fasst Trends, Vorteile und Nachteile von TIM-Füllstoffen zusammen

Thermische Grenzflächenmaterialien (TIMs) werden immer häufiger eingesetzt, und es wird erwartet, dass der Markt bis 2034 ein Volumen von über 8 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Thermische Füllstoffe spielen eine entscheidende Rolle in TIMs, da sie Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Viskosität, Kosten, Abriebfestigkeit und verschiedene andere Faktoren direkt beeinflussen. TIM-Füllstoffe sind in der Regel der teuerste Bestandteil von TIM-Formulierungen; daher muss bei der Auswahl von TIM-Füllstoffen ein Gleichgewicht zwischen guter Wärmeleitfähigkeit, guten mechanischen Eigenschaften und einem akzeptablen Preis gefunden werden.

 

Es gibt eine Vielzahl von TIM-Füllstoffen, darunter Aluminiumoxid, Aluminiumhydroxid (ATH), Aluminiumnitrid (AlN), Zinkoxid (ZnO), Magnesiumoxid (MgO) und Bornitrid (BN). Abhängig von den Zielanwendungen und -anforderungen sind die Füllstoffe, die Partikelgröße und die Füllstoffmischung Eigentum der TIM-Formulierer. Im Folgenden finden Sie einige interessante Erkenntnisse aus dem Vergleich verschiedener Füllstoffe. Eine ausführlichere Analyse finden Sie im neuen Marktforschungsbericht von IDTechEx, "Wärmeleitmaterialien 2024-2034: Technologien, Märkte und Prognosen".

 

Aluminiumoxid-Füllstoffe werden auf dem derzeitigen Markt am häufigsten verwendet. Sie erhöhen die Wärmeleitfähigkeit von Epoxidharzen zu niedrigen Kosten (5,5-6,5 USD/kg mit der Möglichkeit, bis auf 2-3 USD/kg zu sinken). Es sei darauf hingewiesen, dass die Preise weitgehend von der Füllstoffgröße, der Qualität, der Geometrie und dem Auftragsvolumen abhängen. Neben der thermischen Leitfähigkeit weisen Aluminiumoxid-Füllstoffe auch eine niedrige elektrische Leitfähigkeit auf, was sie ideal für elektronische Anwendungen macht. Trotz ihrer Vorteile weisen Aluminiumoxid-Füllstoffe jedoch einige Einschränkungen auf, wie z. B. eine relativ geringe Wärmeleitfähigkeit im Vergleich zu anderen Hochleistungsfüllstoffen, Abrasivität und eine niedrige Viskosität bei hohen Füllgraden. Aluminiumoxid-Füllstoffe lassen sich grob in kugelförmige und gemahlene Aluminiumoxid-Füllstoffe unterteilen, wobei kugelförmiges Aluminiumoxid in der Regel höhere Kosten verursacht als gemahlenes Aluminiumoxid. Den Untersuchungen von IDTechEx zufolge kann gemahlenes Aluminiumoxid die Kosten im Vergleich zu kugelförmigem Aluminiumoxid um etwa 50 % senken. Allerdings haben gemahlene Tonerden aufgrund ihrer kantigen Geometrien oft einen viel geringeren Beladungsgrad.

 

Ein interessanter Trend bei TIMs für Elektrofahrzeugbatterien ist der Übergang von Aluminiumoxid-Füllstoffen zu ATH-Füllstoffen. ATH-Füllstoffe sind im Vergleich zu Aluminiumoxid deutlich kostengünstiger (20 bis 40 % weniger, je nach Volumen, Lieferanten und vielen anderen Faktoren), führen aber auch zu einer geringeren Wärmeleitfähigkeit. IDTechEx geht davon aus, dass die für TIMs in EV-Batterien erforderliche Wärmeleitfähigkeit von bisher etwa 3,5 W/mK in Zukunft auf etwa 2,5 W/mK sinken wird, da sich die Batteriekonfiguration von einem modularen Design hin zu einem Cell-to-Pack-Design und sogar einem Cell-to-Pack-3.0-Design von CATL verändert. Diese Senkung der Wärmeleitfähigkeit eröffnet den Herstellern von Elektrofahrzeugen die Möglichkeit, ATH-Füllstoffe zu verwenden, um die Kosten weiter zu senken. Darüber hinaus sind ATH-Füllstoffe auch flammhemmend, da sie sich endotherm zersetzen können und dabei etwa 35 % ihres Gewichts als Wasserdampf freisetzen, wodurch sie Wärme absorbieren und den thermischen Durchschlag verringern. Weitere Einzelheiten darüber, wie sich die Konfiguration von EV-Batterien auf die Wärmeleitfähigkeit und die in EV-Batterien verwendeten TIMs auswirken wird, sind im IDTechEx-Bericht "Wärmeleitmaterialien 2024-2034: Technologien, Märkte und Prognosen" enthalten.

 

Zusätzlich zu kostengünstigen thermischen Füllstoffen werden für einige Anwendungen auch Hochleistungs-TIMs benötigt. Zu den häufig verwendeten Hochleistungs-TIMs gehören Bornitrid- und AlN-Füllstoffe. Die hohe Leistung ist jedoch mit hohen Kosten verbunden. BN-Füllstoffe können beispielsweise 10 Mal mehr kosten als Aluminiumoxid-Füllstoffe. Um ein Gleichgewicht zwischen Wärmeleitfähigkeit und Kosten zu erreichen, mischen TIM-Formulierer daher in der Regel Füllstoffe, wobei die primären Füllstoffe kostengünstiges Aluminiumoxid und die sekundären Füllstoffe teure BN-Füllstoffe oder andere sind. Außerdem werden häufig TIM-Füllstoffe mit unterschiedlichen Partikelgrößen verwendet. Größere Füllstoffe können die spezifische Oberfläche und den Wärmewiderstand an den Grenzflächen verringern und so die Wärmeleitfähigkeit verbessern. Große Füllstoffe führen jedoch zu einer hohen Defektdichte, die die Wärmeübertragung behindern kann. Daher werden kleinere Füllstoffe als Zusatzstoffe verwendet, um die Defektdichte zu verringern.

 

Neben den oben genannten Füllstoffen gibt es auch Möglichkeiten für andere Füllstoffe wie MgO, ZnO und einige andere, obwohl jeder von ihnen seine eigenen Herausforderungen mit sich bringt, wie z. B. Toxizität und hohe Kosten. Weitere Details zum Benchmark-Vergleich von TIM-Füllstoffen finden Sie im neuen Bericht von IDTechEx, "Wärmeleitmaterialien 2024-2034: Technologien, Märkte und Prognosen".

 

Weitere Informationen zu diesem Bericht, einschließlich Beispielseiten zum Herunterladen, finden Sie unter www.IDTechEx.com/TIM.

 

Das gesamte Portfolio der Marktforschung von IDTechEx zum Wärmemanagement finden Sie unter www.IDTechEx.com/Research/Thermal.