7 glavnih voditelja topline



vodiči topline Glavni su metali i dijamanti, kompoziti metalne matrice, kompoziti ugljične matrice, ugljični, grafitni i keramički kompoziti..

Toplinska provodljivost je svojstvo materijala koje opisuje sposobnost provođenja topline i može se definirati kao: "Količina topline koja se prenosi kroz jediničnu debljinu materijala - u normalnom smjeru na površinu jedinice površine - zbog jedinični temperaturni gradijent u stacionarnim uvjetima "(Inženjerski alatni okvir, SF).

Drugim riječima, toplinska provodljivost je prijenos toplinske energije između čestica tvari koje se dotiču. Toplinska provodljivost nastaje kada se čestice toplije tvari sudaraju s hladnijim česticama tvari i prenesu dio svoje toplinske energije na hladnije čestice.

Vožnja je obično brža u određenim krutinama i tekućinama nego u plinovima. Materijali koji su dobri vodiči toplinske energije nazivaju se toplinskim vodičima.

Metali su posebno dobri toplinski vodiči jer imaju elektrone koji se slobodno kreću i mogu brzo i jednostavno prenositi toplinsku energiju (CK-12 Foundation, S.F.).

Općenito, dobri vodiči električne energije (metali kao što su bakar, aluminij, zlato i srebro) također su dobri vodiči topline, dok su električni izolatori (drvo, plastika i guma) loši vodiči topline.

Kinetička energija (prosjek) molekule u toplom tijelu veća je nego u najhladnijem tijelu. Ako se dvije molekule sudaraju, dolazi do prijenosa energije iz vruće molekule na hladnoću.

Kumulativni učinak svih sudara rezultira neto protokom topline iz toplog tijela u najhladnije tijelo (SantoPietro, S.F.).

Materijali visoke toplinske vodljivosti

Za provođenje topline potrebni su visokotemperaturni materijali za zagrijavanje ili hlađenje. Jedna od najkritičnijih potreba je elektronička industrija.

Zbog minijaturizacije i povećane snage mikroelektronike, rasipanje topline ključno je za pouzdanost, performanse i minijaturizaciju mikroelektronike.

Toplinska provodljivost ovisi o mnogim svojstvima materijala, posebice o njegovoj strukturi i temperaturi.

Koeficijent toplinskog širenja je posebno važan jer pokazuje sposobnost materijala da se širi toplinom.

Metali i dijamanti

Bakar je najčešće korišteni metal kada su potrebni visokotemperaturni materijali.

Međutim, bakar pretpostavlja visok koeficijent koeficijenta toplinskog širenja (CTE). Invarna legura (64% Fe ± 36% Ni) iznimno je niska u CET između metala, ali je vrlo slaba u toplinskoj vodljivosti.

Dijamant je privlačniji, budući da ima vrlo visoku toplinsku provodljivost i nisku srednju školjku, ali je skup (Thermal Conductivity, S.F.).

Aluminij nije tako vodljiv kao bakar, ali ima nisku gustoću, što je atraktivno za zrakoplovnu elektroniku i aplikacije (na primjer, prijenosna računala) koja zahtijevaju malu težinu.

Metali su toplinski i električni vodiči. Dijamanti i odgovarajući keramički materijali mogu se koristiti za primjene koje zahtijevaju toplinsku provodljivost i električnu izolaciju, ali ne i metale.

Spojevi metalne matrice

Jedan od načina da se smanji KTŠ metala je da se formira kompozit metalne matrice pomoću niskog CTE punila.

U tu svrhu koriste se keramičke čestice kao što su AlN i silicijev karbid (SiC) zbog njihove kombinacije visoke toplinske vodljivosti i niskog CTE-a..

Budući da punilo obično ima niži CTE i nižu toplinsku provodljivost od metalne matrice, što je veći volumni udio naboja u kompozitu, to je niži CTE i niža je toplinska vodljivost..

Spojevi matrice ugljika

Ugljik je atraktivna matrica za spojeve toplinske vodljivosti zbog svoje toplinske vodljivosti (premda ne tako visoke kao kod metala) i niskog CTE (niže od onih kod metala).

Osim toga, ugljik je otporan na koroziju (otporniji na koroziju od metala) i njezinu malu težinu.

Još jedna prednost ugljične matrice je njezina kompatibilnost s karbonskim vlaknima, za razliku od zajedničke reaktivnosti između metalne matrice i njezinih naboja.

Stoga su karbonska vlakna dominantno punilo za kompozite ugljične matrice.

Ugljik i grafit

Potpuno ugljični materijal proizveden učvršćivanjem ugljika prekursora ugljika orijentiran bez veziva i naknadne karbonizacije i opcionalne grafitizacije, ima toplinsku provodljivost u rasponu od 390 do 750 W / mK u vlaknima materijala.

Drugi materijal je pirolitički grafit (koji se naziva TPG) zatvoren u strukturnu ljusku. Grafit (vrlo teksturiran s c-osi zrna poželjno okomito na ravninu grafita), ima toplinsku vodljivost u ravnini 1700 W / m K (četiri puta veću od bakra), ali je mehanički slab zbog tendencije rez u grafitnoj ravnini.

Keramički spojevi matrice

Matrica borosilikatnog stakla privlačna je zbog svoje niske dielektrične konstante (4.1) u usporedbi s aln (8.9), aluminijevog oksida (9.4), SiC (42), BeO (6.8), kubičnog borovog nitrida (7.1), dijamant (5.6) i za staklo ± keramiku (5.0).

Mala vrijednost dielektrične konstante je poželjna za aplikacije elektronskog pakiranja. S druge strane, staklo ima nisku toplinsku vodljivost.

SiC matrica je atraktivna zbog svog visokog CTE u odnosu na ugljikovu matricu, iako nije tako toplinski vodljiva kao ugljik.

CTE spojeva ugljika i ugljika je preniska, što rezultira smanjenim vijekom zamora materijala u aplikacijama s čipom na ploči (COB) sa silikatnim čipovima.

SiC matrični ugljični kompozit sastoji se od ugljik-ugljik spoja koji pretvara ugljik u SiC (Chung, 2001)..

reference

  1. Chung, D. (2001). Materijali za toplinsku provodljivost. Primijenjena toplinska tehnika 21 , 1593 ± 1605.
  2. Temelj CK-12. (S.F.). Termički vodiči i izolatori. Preuzeto s ck12.org: ck12.org.
  3. SantoPietro, D. (S.F.). Što je toplinska vodljivost? Preuzeto s khanacademy: khanacademy.org.
  4. Inženjerski alatni okvir. (S.F.). Toplinska provodljivost zajedničkih materijala i plinova. Dobavljeno iz engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.