Οι 7 κύριοι αγωγοί θερμότητας

Το αγωγούς θερμότητας μείζονες είναι μέταλλα και διαμάντια, σύνθετα υλικά μεταλλικής μήτρας, σύνθετα μήτρας άνθρακα, άνθρακα, γραφίτη και σύνθετα κεραμικά υλικά.

Θερμική αγωγιμότητα είναι ένα υλικό ιδιότητα που περιγράφει την ικανότητα να διεξάγει τη θερμότητα και μπορεί να οριστεί ως: «το ποσό της θερμότητας που μεταδίδεται μέσω μιας μονάδας πάχος υλικού - σε μία διεύθυνση κάθετη προς μια επιφάνεια μονάδα επιφάνειας - επειδή μια βαθμίδα θερμοκρασίας μονάδας υπό συνθήκες σταθερής κατάστασης "(The Engineering ToolBox, SF).

Με άλλα λόγια, η θερμική αγωγιμότητα είναι η μεταφορά της θερμικής ενέργειας μεταξύ των σωματιδίων της ύλης που αγγίζουν. Η θερμική αγωγή συμβαίνει όταν τα σωματίδια θερμότερης ύλης συγκρούονται με σωματίδια ψυχρότερης ύλης και μεταφέρουν μέρος της θερμικής τους ενέργειας σε ψυχρότερα σωματίδια.

Η οδήγηση είναι συνήθως ταχύτερη σε ορισμένα στερεά και υγρά παρά στα αέρια. Τα υλικά που είναι καλοί αγωγοί θερμικής ενέργειας ονομάζονται θερμικοί αγωγοί.

Τα μέταλλα είναι ιδιαίτερα καλοί θερμικοί αγωγοί επειδή έχουν ηλεκτρόνια που κινούνται ελεύθερα και μπορούν να μεταφέρουν θερμική ενέργεια γρήγορα και εύκολα (CK-12 Foundation, S.F.).

Σε γενικές γραμμές, ένας καλός αγωγός (μέταλλα όπως ο χαλκός, το αλουμίνιο, ο χρυσός και το ασήμι) είναι επίσης καλοί αγωγοί της θερμότητας, ενώ ηλεκτρικό μονωτήρες (ξύλο, πλαστικό και καουτσούκ) είναι κακοί αγωγοί θερμότητας.

Η κινητική ενέργεια (μέσος όρος) ενός μορίου στο θερμό σώμα είναι υψηλότερη από ό, τι στο ψυχρότερο σώμα. Εάν δύο μόρια συγκρούονται, συμβαίνει μια μεταφορά ενέργειας από το θερμό μόριο στο κρύο.

Το σωρευτικό αποτέλεσμα όλων των συγκρούσεων έχει ως αποτέλεσμα μια καθαρή ροή θερμότητας από το θερμό σώμα στο ψυχρότερο σώμα (SantoPietro, S.F.).

Υλικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας

Απαιτούνται υλικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας για τη θερμική αγωγιμότητα προκειμένου να θερμανθούν ή να ψυχθούν. Μία από τις πιο κρίσιμες ανάγκες είναι η ηλεκτρονική βιομηχανία.

Λόγω της μικρογράφησης και της αυξημένης ισχύος της μικροηλεκτρονικής, η διάχυση της θερμότητας είναι το κλειδί για την αξιοπιστία, την απόδοση και τη μικρογραφία της μικροηλεκτρονικής.

Η θερμική αγωγιμότητα εξαρτάται από πολλές ιδιότητες ενός υλικού, ειδικά τη δομή και τη θερμοκρασία του.

Ο συντελεστής θερμικής διαστολής είναι ιδιαίτερα σημαντικός, καθώς υποδεικνύει την ικανότητα ενός υλικού να διογκώνεται με θερμότητα.

Μέταλλα και διαμάντια

Ο χαλκός είναι το πιο συχνά χρησιμοποιούμενο μέταλλο όταν απαιτούνται υλικά υψηλής θερμικής αγωγιμότητας.

Ωστόσο, ο χαλκός λαμβάνει έναν υψηλό συντελεστή θερμικού συντελεστή διαστολής (CTE). κράμα Invar (Fe 64% ± 36% Νί) είναι εξαιρετικά χαμηλή CET μεταξύ μετάλλων, αλλά είναι πολύ φτωχή σε θερμική αγωγιμότητα.

Το διαμάντι είναι πιο ελκυστική, διότι έχει ένα πολύ υψηλή θερμική αγωγιμότητα και χαμηλή CET αλλά ακριβά (θερμική αγωγιμότητα, S.F.).

Το αλουμίνιο δεν είναι τόσο αγώγιμο όσο ο χαλκός, αλλά έχει χαμηλή πυκνότητα, που είναι ελκυστικό για τα ηλεκτρονικά αεροσκάφη και τις εφαρμογές (για παράδειγμα, φορητούς υπολογιστές) που απαιτούν μικρό βάρος.

Τα μέταλλα είναι θερμικοί και ηλεκτρικοί αγωγοί. Τα διαμάντια και τα κατάλληλα κεραμικά υλικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για εφαρμογές που απαιτούν θερμική αγωγιμότητα και ηλεκτρική μόνωση, αλλά όχι μέταλλα.

Ουσίες μεταλλικών πλεγμάτων

Ένας τρόπος για να μειωθεί η CTE ενός μετάλλου είναι να σχηματιστεί ένα σύνθετο μεταλλικό πλέγμα χρησιμοποιώντας ένα χαμηλό πλήρωσης CTE.

Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιούνται κεραμικά σωματίδια όπως ΑΙΝ και καρβίδιο πυριτίου (SiC), λόγω του συνδυασμού τους υψηλής θερμικής αγωγιμότητας και χαμηλής CTE.

Καθώς το υλικό πληρώσεως έχουν γενικά χαμηλότερο CTE και μικρότερη θερμική αγωγιμότητα από το μέταλλο μήτρας, τόσο υψηλότερη είναι η φόρτωση κλάσμα όγκου στην ένωση, τόσο χαμηλότερη είναι η CTE και η κατώτερη θερμική αγωγιμότητα.

Οι ενώσεις μήτρας άνθρακα

Ο άνθρακας είναι ένας ελκυστικός πίνακας για ενώσεις θερμικής αγωγιμότητας λόγω της θερμικής αγωγιμότητάς του (αν και όχι τόσο υψηλού όσο εκείνων των μετάλλων) και του χαμηλού CTE (χαμηλότερου από εκείνο των μετάλλων).

Επιπλέον, ο άνθρακας είναι ανθεκτικός στη διάβρωση (πιο ανθεκτικός στη διάβρωση από τα μέταλλα) και στο χαμηλό βάρος του.

Ένα άλλο πλεονέκτημα της μήτρας άνθρακα είναι η συμβατότητά του με ίνες άνθρακα, σε αντίθεση με την κοινή αντιδραστικότητα μεταξύ μιας μήτρας μετάλλου και πληρωτικά.

Ως εκ τούτου, οι ίνες άνθρακα είναι το κυρίαρχο υλικό πλήρωσης για σύνθετα μήτρα άνθρακα.

Άνθρακας και γραφίτης

Ένα υλικό άνθρακα που κατασκευάζεται από την εδραίωση πλήρως προδρόμων άνθρακες προσανατολισμένο χωρίς ένα συνδετικό μέσο και εν συνεχεία εξανθρακώσεως και προαιρετική άνθρακα γραφιτοποίηση, έχει μια θερμική αγωγιμότητα που κυμαίνεται μεταξύ 390 και 750 W / mK στο ινώδες υλικό.

Ένα άλλο υλικό είναι ο πυρολυτικός γραφίτης (ονομάζεται TPG) εγκλεισμένος σε ένα δομικό κέλυφος. Graphite (πολύ υφής άξονας γ του κατά προτίμηση κάθετο προς το επίπεδο των κόκκων γραφίτη) έχει θερμική αγωγιμότητα στο επίπεδο των 1700 W / m Κ (τέσσερις φορές μεγαλύτερη από αυτή του χαλκού), αλλά είναι μηχανικώς ασθενής λόγω της τάσης κόβονται στο επίπεδο γραφίτη.

Κεραμικές ενώσεις μήτρας

Η μήτρα από βοριοπυριτικό γυαλί είναι ελκυστική λόγω της χαμηλής της διηλεκτρικής σταθεράς του (4.1) σε σύγκριση με εκείνη του ΑΙΝ (8.9), αλουμίνα (9,4), SiC (42), BeO (6.8) της κυβικό νιτρίδιο του βορίου (7.1), διαμάντι (5.6) και γυαλί ± κεραμικό (5.0).

Μία χαμηλή τιμή της διηλεκτρικής σταθεράς είναι επιθυμητή για εφαρμογές ηλεκτρονικής συσκευασίας. Από την άλλη πλευρά, το γυαλί έχει χαμηλή θερμική αγωγιμότητα.

Η μήτρα SiC είναι ελκυστική λόγω της υψηλής ΣΤΕ του σε σχέση με τη μήτρα άνθρακα, αν και όχι τόσο θερμικά αγώγιμο ως άνθρακας.

Η CTE των ενώσεων άνθρακα + άνθρακα είναι πολύ χαμηλή, με αποτέλεσμα τη μειωμένη διάρκεια ζωής κόπωσης σε εφαρμογές chip-on-board (COB) με τσιπ πυριτίου.

Το σύνθετο υλικό άνθρακα μήτρας SiC αποτελείται από μια ένωση άνθρακα-άνθρακα που μετατρέπει τη μήτρα άνθρακα σε SiC (Chung, 2001).

Αναφορές

1. Chung, D. (2001). Υλικά για θερμική αγωγιμότητα. Εφαρμοσμένη Θερμική Μηχανική 21 , 1593 ± 1605.
2. CK-12 Foundation. (S.F.). Θερμικοί αγωγοί και μονωτήρες. Ανακτήθηκε από ck12.org: ck12.org.
3. SantoPietro, D. (S.F.). Τι είναι η θερμική αγωγιμότητα? Ανακτήθηκε από khanacademy: khanacademy.org.
4. Το Μηχανικό Εργαλείο. (S.F.). Θερμική αγωγιμότητα κοινών υλικών και αερίων. Ανακτήθηκε από το μηχανικό εργαλείο: engineeringtoolbox.com.