7 głównych przewodników ciepła

The przewodniki ciepła Główne z nich to metale i diamenty, kompozyty z metalową osnową, kompozyty z matrycą węglową, kompozyty z węglem, grafitem i osnową ceramiczną..

Przewodność cieplna jest właściwością materiału, która opisuje zdolność do przewodzenia ciepła i może być zdefiniowana jako: „Ilość ciepła przekazywanego przez jednostkową grubość materiału - w normalnym kierunku do powierzchni obszaru jednostkowego - z powodu gradient temperatury jednostki w warunkach stanu ustalonego ”(The Engineering ToolBox, SF).

Innymi słowy, przewodnictwo cieplne to transfer energii cieplnej między cząstkami materii, które się dotykają. Przewodnictwo cieplne występuje, gdy cząstki cieplejszej materii zderzają się z cząstkami zimniejszej materii i przenoszą część swojej energii cieplnej na zimniejsze cząstki.

Jazda jest zwykle szybsza w niektórych ciałach stałych i cieczach niż w gazach. Materiały, które są dobrymi przewodnikami energii cieplnej, nazywane są przewodnikami termicznymi.

Metale są szczególnie dobrymi przewodnikami termicznymi, ponieważ mają elektrony, które poruszają się swobodnie i mogą szybko i łatwo przenosić energię cieplną (CK-12 Foundation, S.F.).

Ogólnie rzecz biorąc, dobre przewodniki prądu (metale takie jak miedź, aluminium, złoto i srebro) są również dobrymi przewodnikami ciepła, podczas gdy izolatory elektryczne (drewno, plastik i guma) są słabymi przewodnikami ciepła.

Energia kinetyczna (średnia) cząsteczki w ciele ciepłym jest wyższa niż w ciele najzimniejszym. Jeśli zderzają się dwie cząsteczki, następuje transfer energii z gorącej cząsteczki na zimno.

Skumulowany efekt wszystkich zderzeń powoduje przepływ ciepła netto z ciepłego ciała do najzimniejszego ciała (SantoPietro, S.F.).

Materiały o wysokiej przewodności cieplnej

Do przewodzenia ciepła potrzebne są materiały o wysokiej przewodności cieplnej w celu ogrzewania lub chłodzenia. Jedną z najbardziej krytycznych potrzeb jest przemysł elektroniczny.

Ze względu na miniaturyzację i zwiększoną moc mikroelektroniki, rozpraszanie ciepła jest kluczem do niezawodności, wydajności i miniaturyzacji mikroelektroniki.

Przewodność cieplna zależy od wielu właściwości materiału, zwłaszcza jego struktury i temperatury.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej jest szczególnie ważny, ponieważ wskazuje zdolność materiału do rozszerzania się pod wpływem ciepła.

Metale i diamenty

Miedź jest najczęściej używanym metalem, gdy wymagane są materiały o wysokiej przewodności cieplnej.

Jednak miedź przyjmuje wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE). Stop Invar (64% Fe ± 36% Ni) jest wyjątkowo niski w CET między metalami, ale ma bardzo słabą przewodność cieplną.

Diament jest bardziej atrakcyjny, ponieważ ma bardzo wysoką przewodność cieplną i niski CET, ale jest drogi (przewodność cieplna, S.F.).

Aluminium nie jest tak przewodzące jak miedź, ale ma niską gęstość, co jest atrakcyjne dla elektroniki i zastosowań lotniczych (na przykład laptopów), które wymagają niskiej wagi.

Metale to przewodniki termiczne i elektryczne. Diamenty i odpowiednie materiały ceramiczne można stosować do zastosowań wymagających przewodności cieplnej i izolacji elektrycznej, ale niemetali.

Związki osnowy metalicznej

Jednym ze sposobów zmniejszenia CTE metalu jest utworzenie kompozytu z metalową osnową przy użyciu wypełniacza o niskim CTE.

W tym celu stosuje się cząstki ceramiczne, takie jak AlN i węglik krzemu (SiC), dzięki połączeniu wysokiej przewodności cieplnej i niskiego CTE.

Ponieważ wypełniacz ma zwykle niższy CTE i niższą przewodność cieplną niż metalowa osnowa, im większy udział objętościowy ładunku w kompozycie, tym niższy CTE i niższa przewodność cieplna..

Związki matrycy węglowej

Węgiel jest atrakcyjną matrycą dla związków przewodzących ciepło ze względu na jego przewodność cieplną (choć nie tak wysoką jak metali) i niski CTE (niższy niż metali).

Ponadto węgiel jest odporny na korozję (bardziej odporny na korozję niż metale) i jego małą wagę.

Inną zaletą matrycy węglowej jest jej kompatybilność z włóknami węglowymi, w przeciwieństwie do zwykłej reaktywności między osnową metaliczną a jej ładunkami.

Dlatego włókna węglowe są dominującym wypełniaczem dla kompozytów z matrycą węglową.

Węgiel i grafit

Materiał w pełni węglowy wytwarzany przez konsolidację węgli prekursorowych węgla zorientowanych bez spoiwa, a następnie karbonizację i opcjonalną grafityzację, ma przewodność cieplną w zakresie od 390 do 750 W / mK we włóknie materiału.

Innym materiałem jest grafit pirolityczny (zwany TPG) zamknięty w skorupie strukturalnej. Grafit (bardzo teksturowany z osiami c ziaren korzystnie prostopadłymi do płaszczyzny grafitu), ma przewodność cieplną na płaszczyźnie 1700 W / m K (czterokrotnie większą niż miedź), ale jest mechanicznie słaby ze względu na tendencję do wyciąć w płaszczyźnie grafitu.

Ceramiczne związki matrycowe

Matryca ze szkła borokrzemianowego jest atrakcyjna ze względu na niską stałą dielektryczną (4,1) w porównaniu z matrycą AlN (8,9), tlenku glinu (9,4), SiC (42), BeO (6,8), sześciennego azotku boru (7.1), diament (5.6) i szkło-ceramika (5.0).

Niska wartość stałej dielektrycznej jest pożądana dla zastosowań w elektronicznym pakowaniu. Z drugiej strony szkło ma niską przewodność cieplną.

Matryca SiC jest atrakcyjna ze względu na wysoki CTE w porównaniu z matrycą węglową, chociaż nie jest tak przewodząca termicznie jak węgiel.

Współczynnik CTE związków węgla + węgla jest zbyt niski, co skutkuje zmniejszoną trwałością zmęczeniową w zastosowaniach chip-on-board (COB) z wiórami krzemionkowymi.

Kompozyt węglowy z matrycą SiC składa się ze związku węgiel-węgiel przekształcającego matrycę węglową w SiC (Chung, 2001).

Referencje

1. Chung, D. (2001). Materiały do ​​przewodzenia ciepła. Applied Thermal Engineering 21 , 1593 ± 1605.
2. Fundacja CK-12. (S.F.). Przewodniki termiczne i izolatory. Źródło: ck12.org: ck12.org.
3. SantoPietro, D. (S.F.). Czym jest przewodność cieplna? Źródło: khanacademy: khanacademy.org.
4. Engineering ToolBox. (S.F.). Przewodność cieplna powszechnych materiałów i gazów. Źródło: engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.