7 hlavných vodičov tepla



tepelné vodiče Hlavnými sú kovy a diamanty, kompozity z kovových matríc, kompozity z uhlíkovej matrice, uhlíkové, grafitové a keramické matricové kompozity..

Tepelná vodivosť je materiálová vlastnosť, ktorá opisuje schopnosť viesť teplo a môže byť definovaná ako: "Množstvo tepla prenášaného jednotkovou hrúbkou materiálu - v normálnom smere na povrch jednotkovej plochy - v dôsledku teplotný gradient v ustálenom stave "(The Engineering ToolBox, SF).

Inými slovami, tepelná vodivosť je prenos tepelnej energie medzi časticami hmoty, ktoré sa dotýkajú. Tepelná vodivosť nastáva, keď sa častice teplejšej hmoty zrážajú s chladnejšími časticami hmoty a prenášajú časť svojej tepelnej energie na chladnejšie častice.

Jazda je zvyčajne rýchlejšia v určitých tuhých látkach a kvapalinách ako v plynoch. Materiály, ktoré sú dobrými vodičmi tepelnej energie, sa nazývajú tepelné vodiče.

Kovy sú obzvlášť dobrými tepelnými vodičmi, pretože majú elektróny, ktoré sa voľne pohybujú a môžu rýchlo a ľahko prenášať tepelnú energiu (CK-12 Foundation, S.F.).

Všeobecne platí, že dobré vodiče elektriny (kovy ako meď, hliník, zlato a striebro) sú tiež dobrými vodičmi tepla, zatiaľ čo elektrické izolátory (drevo, plasty a guma) sú zlé vodiče tepla.

Kinetická energia (priemer) molekuly v teplom tele je vyššia ako v najchladnejšom tele. Ak sa zrazia dve molekuly, dochádza k prenosu energie z horúcej molekuly do chladu.

Kumulatívny účinok všetkých kolízií má za následok čistý tok tepla z teplého tela do najchladnejšieho tela (SantoPietro, S.F.).

Materiály s vysokou tepelnou vodivosťou

Na vedenie tepla sú potrebné materiály s vysokou tepelnou vodivosťou, aby sa zahrievali alebo ochladzovali. Jednou z najkritickejších potrieb je elektronický priemysel.

Vďaka miniaturizácii a zvýšenému výkonu mikroelektroniky je odvádzanie tepla kľúčom k spoľahlivosti, výkonu a miniaturizácii mikroelektroniky..

Tepelná vodivosť závisí od mnohých vlastností materiálu, najmä jeho štruktúry a teploty.

Zvlášť dôležitý je koeficient tepelnej rozťažnosti, pretože ukazuje schopnosť materiálu expandovať teplom.

Kovy a diamanty

Meď je najčastejšie používaný kov, keď sa vyžadujú materiály s vysokou tepelnou vodivosťou.

Meď však predpokladá vysoký koeficient koeficientu tepelnej rozťažnosti (CTE). Zliatina Invar (64% Fe ± 36% Ni) je výnimočne nízka v CET medzi kovmi, ale má veľmi nízku tepelnú vodivosť.

Diamant je atraktívnejší, pretože má veľmi vysokú tepelnú vodivosť a nízky CET, ale je drahý (tepelná vodivosť, S.F.)..

Hliník nie je tak vodivý ako meď, ale má nízku hustotu, ktorá je atraktívna pre elektroniku lietadiel a aplikácie (napríklad notebooky), ktoré vyžadujú nízku hmotnosť..

Kovy sú tepelné a elektrické vodiče. Diamanty a vhodné keramické materiály môžu byť použité pre aplikácie, ktoré vyžadujú tepelnú vodivosť a elektrickú izoláciu, ale nekovy.

Kovové matricové zlúčeniny

Jedným spôsobom, ako znížiť CTE kovu, je vytvoriť kompozit kovovej matrice s použitím plniva s nízkym CTE.

Na tento účel sa používajú keramické častice, ako sú AlN a karbid kremíka (SiC), kvôli ich kombinácii vysokej tepelnej vodivosti a nízkej CTE.

Pretože plnivo má zvyčajne nižšiu CTE a nižšiu tepelnú vodivosť ako kovová matrica, čím vyšší je objemový podiel náboja v kompozite, tým nižšia je hodnota CTE a nižšia tepelná vodivosť..

Zlúčeniny uhlíkovej matrice

Uhlík je atraktívna matrica pre tepelne vodivé zlúčeniny vďaka svojej tepelnej vodivosti (aj keď nie tak vysokej ako u kovov) a nízkej CTE (nižšej ako u kovov).

Okrem toho je uhlík odolný voči korózii (odolnejší voči korózii ako kovy) a jeho nízka hmotnosť.

Ďalšou výhodou uhlíkovej matrice je jej kompatibilita s uhlíkovými vláknami, na rozdiel od bežnej reaktivity medzi kovovou matricou a jej nábojmi.

Preto sú uhlíkové vlákna dominantným plnivom kompozitov s uhlíkovou matricou.

Uhlík a grafit

Úplne uhlíkový materiál vyrobený konsolidáciou uhlíkových prekurzorových uhlíkov orientovaných bez spojiva a následnej karbonizácie a voliteľnej grafitizácie má tepelnú vodivosť v rozsahu 390 až 750 W / mK vo vlákne materiálu..

Ďalším materiálom je pyrolytický grafit (nazývaný TPG) obalený v konštrukčnom plášti. Grafit (veľmi textúrovaný s c-osami zŕn, prednostne kolmo na rovinu grafitu), má tepelnú vodivosť v rovine 1700 W / m K (štvornásobok medi), ale je mechanicky slabý v dôsledku sklonu rez v grafitovej rovine.

Keramické matricové zlúčeniny

Matrica z borokremičitanového skla je atraktívna vzhľadom na svoju nízku dielektrickú konštantu (4.1) v porovnaní s AlN (8.9), oxidu hlinitého (9.4), SiC (42), BeO (6.8), kubického nitridu bóru (7.1), diamant (5.6) a sklo ± keramika (5.0).

Nízka hodnota dielektrickej konštanty je vhodná pre aplikácie elektronického balenia. Na druhej strane má sklo nízku tepelnú vodivosť.

Matrica SiC je atraktívna vzhľadom na svoju vysokú CTE v porovnaní s uhlíkovou matricou, hoci nie je tak tepelne vodivá ako uhlík.

CTE zlúčenín uhlíka + uhlíka je príliš nízka, čo má za následok zníženie únavovej životnosti v aplikáciách čipu na palube (COB) s čipmi oxidu kremičitého..

Kompozitný uhlíkový kompozit SiC pozostáva zo zlúčeniny uhlíka-uhlíka, ktorá premieňa uhlíkovú matricu na SiC (Chung, 2001)..

referencie

  1. Chung, D. (2001). Materiály na vedenie tepla. Aplikované tepelné inžinierstvo 21 , 1593 ± 1605.
  2. Nadácia CK-12. (S.F.). Tepelné vodiče a izolátory. Zdroj: ck12.org: ck12.org.
  3. SantoPietro, D. (S.F.). Čo je tepelná vodivosť? Zdroj: khanacademy: khanacademy.org.
  4. Inžinierske náradie. (S.F.). Tepelná vodivosť bežných materiálov a plynov. Zdroj: engineeringtoolbox.com.