Manufacturing and characterization of thermal conductive polymeric composite materials

Abstract

Elektronik endüstrisi yüzyılın son çeyreğinde önemli ölçüde artış göstermiştir. Elektronik endüstrisindeki son gelişmeler, mikro transistörlerin minyatürleştirilmesini ve daha fazla transistörün elektronik cihazlara entegrasyonu ile daha yüksek bir performans sağlamaktadır. Bununla birlikte, bu durum, elektronik cihazlarda ısı akışını arttırmaktadır. Elektronik cihazların performansı çalışma sıcaklığına bağlıdır, bu nedenle, elektronik cihazın sistem sıcaklığını gerekli ısıda tutabilmek için, cihazda üretilen ısının mümkün olduğunca hızlı ve verimli bir şekilde uzaklaştırılması önemlidir. Termal ve elektriksel iletkenliği düşük olan ve hafif olan polimerler problemi çözmek için kullanılabilir. Bununla birlikte, polimerlerin düşük termal iletkenliği, seramik, karbon ve metal bazlı veya birbirlerinin karışımları gibi yüksek termal iletken malzemeler yükleyerek artırılabilir. Bu tezde, yüksek ısıl iletken ve elektriksel yalıtkan kompozitlerin üretimi için alüminyum-silisyum karbür, alümina / grafen (G), silisyum karbür (SiC) / karbon fiber (CF), hekzagonal bor nitrür (HBN) / grafit (Gr) alüminyum nitrür (AlN) / grafit hibrit dolgu prototip karışımları ve beş farklı silan modifiye alümina partikülü farklı oranlarda polipropilen matriks ile yüksek hızlı termokinetik karıştırıcıda üretilmiştir. Diferansiyel taramalı kalorimetre, eşzamanlı diferansiyel termal analizör ve düzlemsel termal iletkenlik ölçüm sistemi ile incelenen tüm kompozitlerin termal özellikleri araştırıldı. Kompozitlerin mekanik özellikleri, evrensel mekanik test makinesi ile analiz edildi. Kompozitlerin viskoelastik davranışları, dinamik mekanik termal analiz sistemi ile test edildi. Taramalı elektron mikroskobu tekniği ile kompozit ve dolgu malzemelerinin PP matriksindeki yönelimi incelendi. Yüzey elektrik direnç ölçüm sistemi ile kompozitlerin elektriksel direnci ölçüldü. Sonuç olarak, düzlemsel ısı iletkenliği ile PP matrisi, tüm kompozit tariflerle arttırıldı. PP matrisine ilave yüzey modifikasyon maddeleri ve karbon bazlı malzeme ilavesiyle kompozitin mekanik özelliklerinin geliştiği görüldü.

Electronic industry is growing dramatically in the last quarter of the century. Recent advances in electronics industry enable the miniaturization of micro transistors and the integration of more transistors into the electronic devices, resulting in a higher performance device. However, this condition increases the heat flow in the electronic devices. The performance of electronic devices depend on the working temperature, for this reason, it is important to remove the heat produced in the device as fast and efficiently as possible in order to hold the system temperature of the electronic device at the required temperature. Polymers, with low thermal and electrical conductivity and lightweight, can be used to address the problem. However, the thermal conductivity of polymers can be increased by loading high thermal conductive materials like ceramic, carbon and metal-based or mixtures of each others. In this thesis, for production of high thermal conductive and electrically insulator composites, aluminum-silicon carbide, alumina/graphene (G), silicon carbide (SiC)/carbon fiber (CF), hexagonal boron nitride (HBN)/graphite (Gr), aluminum nitride (AlN)/graphite hybrid filler prototype mixtures, and five different silane modified alumina particles were manufactured by the high speed thermokinetic mixer with polypropylene (PP) matrix at different ratios. All composites thermal properties investigated by differential scanning calorimetry, simultaneous differential thermal analyzer and through plane thermal conductivity measurement systems. Mechanical properties of composites were analyzed with universal mechanical test machine. Viscoelastic behaviors of composites tested with dynamical mechanical thermal analysis system. Texture of composites and fillers orientation into the PP matrix was investigated with scanning electron microscopy. Electrical resistivity of composites was measured with surface electrical resistivity measurement system. As a result, PP matrix through plane thermal conductivity increased with the all-composites. It was observed that the mechanical properties of the composite were improved by the addition of surface modification materials and carbon-based materials to the PP matrix