Cele 7 conductoare principale de încălzire

conductorii de căldură Principalele sunt metalele și diamantele, compozitele cu matrice metalică, compozitele cu matrice de carbon, compozitele de carbon, grafit și matricea ceramică.

Conductivitatea termică este o proprietate de material care descrie abilitatea de a conduce căldura și poate fi definită ca: „Cantitatea de căldură transmisă printr-o unitate de grosime de material - într-o direcție normală la o suprafață de unitate de suprafață - deoarece un gradient al temperaturii unitare în condiții staționare "(The Engineering ToolBox, SF).

Cu alte cuvinte, conducerea termică este transferul energiei termice între particulele de materie care ating. Conducta termică are loc atunci când particulele de material fierbinte se ciocnesc cu particulele de materie rece și transferă o parte din energia lor termică în particule mai reci.

Conducerea este, de obicei, mai rapidă în anumite solide și lichide decât în ​​gaze. Materialele care sunt conductori buni ai energiei termice se numesc conductori termici.

Metalele sunt conductori termici deosebit de buni deoarece au electroni care se mișcă liber și pot transfera rapid și ușor energia termică (CK-12 Foundation, S.F.).

În general, bune conductoare (metale, cum ar fi cupru, aluminiu, aur și argint) sunt de asemenea bune conductoare cu căldură, în timp ce izolatorii electrici (lemn, plastic și cauciuc) sunt conductori de căldură săraci.

Energia cinetică (medie) a unei molecule în corpul fierbinte este mai mare decât în ​​cel mai rece corp. Dacă două molecule se ciocnesc, apare un transfer de energie de la molecula fierbinte la frig.

Efectul cumulat al tuturor coliziunilor are ca rezultat un flux net de căldură de la corpul cald la cel mai rece corp (SantoPietro, S.F.).

Materiale de conductivitate termică ridicată

Sunt necesare materiale de conductivitate termică ridicată pentru conducerea căldurii pentru încălzire sau răcire. Una dintre cele mai importante nevoi este industria electronică.

Datorită miniaturizării și a creșterii puterii microelectronicii, disiparea căldurii este esențială pentru fiabilitatea, performanța și miniaturizarea microelectronicii.

Conductivitatea termică depinde de multe proprietăți ale unui material, în special structura și temperatura acestuia.

Coeficientul de dilatare termică este deosebit de important, deoarece indică capacitatea unui material de a se extinde cu căldură.

Metale și diamante

Cuprul este metalul cel mai frecvent utilizat atunci când sunt necesare materiale de conductivitate termică ridicată.

Cu toate acestea, cuprul presupune un coeficient ridicat de coeficient de dilatare termică (CET). Aliajul Invar (64% Fe ± 36% Ni) este extrem de scăzut în CET între metale, dar este foarte slab în conductivitatea termică.

Diamantul este mai atractiv, deoarece are o conductivitate termică foarte ridicată și un CET scăzut, dar este costisitor (Thermal Conductivity, S.F.).

Aluminiu nu este la fel de conductiv ca cuprul, dar are o densitate scăzută, atractivă pentru electronice și aplicații ale aeronavelor (de exemplu, laptopuri) care necesită o greutate redusă.

Metalele sunt conductoare termice și electrice. Pentru aplicațiile care necesită conductivitate termică și izolație electrică, pot fi utilizate diamante și materiale ceramice adecvate, dar pot fi utilizate și nemetale.

Compuși cu matrice metalică

O modalitate de a reduce CTE a unui metal este de a forma un compozit cu matrice metalică utilizând o umplutură CTE scăzută.

În acest scop, se utilizează particule ceramice precum AlN și carbură de siliciu (SiC), datorită combinației lor de conductivitate termică ridicată și CTE scăzută.

Deoarece umplerea are de obicei un CTE inferior și o conductivitate termică mai mică decât matricea metalică, cu cât este mai mare fracția volumică de încărcare din compozit, cu atât CTE este mai scăzută și conductivitatea termică este mai mică.

Compuși cu matrice de carbon

Carbonul este o matrice atrăgătoare pentru compușii conductivi termici datorită conductivității sale termice (deși nu la fel de mare ca cea a metalelor) și CTE scăzute (mai mică decât cea a metalelor).

În plus, carbonul este rezistent la coroziune (mai rezistent la coroziune decât metalele) și la greutatea sa redusă.

Un alt avantaj al matricei de carbon este compatibilitatea cu fibrele de carbon, spre deosebire de reactivitatea comună între o matrice metalică și încărcăturile sale.

Prin urmare, fibrele de carbon sunt substanța principală de umplere a compozitelor cu matrice de carbon.

Carbon și grafit

Un material de carbon produs prin consolidarea pe deplin precursori orientați carbon fără un liant și carbonizare ulterioară și carbon grafitizării opțional, are o conductivitate termică cuprinsă între 390 și 750 W / mK în materialul fibros.

Un alt material este grafitul pirolitic (numit TPG), închis într-o carcasă structurală.Grafit (foarte texturare axa c, de preferință, perpendicular pe planul de granule de grafit) are o conductivitate termică în planul de 1700 W / m K (de patru ori mai mare decât a cuprului), dar este slabă mecanic din cauza tendinței tăiați în planul de grafit.

Compuși cu matrice ceramică

Matricea de sticlă borosilicată este atractivă datorită constantă sale reduse dielectric (4.1), comparativ cu cea a AlN (8,9), alumină (9,4), SiC (42), BeO (6,8) de nitrură de bor cubică (7.1), diamant (5.6) și sticlă - ceramică (5.0).

O valoare mică a constantei dielectrice este de dorit pentru aplicațiile electronice de ambalare. Pe de altă parte, sticla are o conductivitate termică scăzută.

Matricea SiC este atractivă datorită sale ridicate în comparație CTE cu matricea de carbon, deși nu la fel termic conductiv ca carbon.

Coeficientul de dilatație termică carbon compuși carbon ± este prea mică, ceea ce duce la o durată de funcționare redusă a oboselii în aplicații cu chip-uri la bord (COB) cu cipuri de siliciu.

Compozitul de carbon din matricea SiC este compus dintr-un compus carbon-carbon care transformă matricea de carbon în SiC (Chung, 2001).

referințe

1. Chung, D. (2001). Materiale pentru conducerea termică. Tehnica termică aplicată 21 , 1593±1605.
2. Fundația CK-12. (S.F.). Conductoare termice și izolatoare. Adus de la ck12.org: ck12.org.
3. SantoPietro, D. (S.F.). Ce este conductivitatea termică? Adus de la khanacademy: khanacademy.org.
4. ToolBox Engineering. (S.F.). Conductivitatea termică a materialelor și gazelor uzuale. Adus de la engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.