7 главных проводников тепла



проводники тепла Основными из них являются металлы и алмазы, композиты с металлической матрицей, композиты с углеродной матрицей, композиты с углеродной, графитовой и керамической матрицами..

Теплопроводность - это свойство материала, которое описывает способность проводить тепло и может быть определено как: «Количество тепла, передаваемого через единицу толщины материала - в нормальном направлении к поверхности единицы площади - из-за единичный температурный градиент в стационарных условиях "(The Engineering ToolBox, SF).

Другими словами, теплопроводность - это передача тепловой энергии между частицами материи, которые соприкасаются. Теплопроводность возникает, когда частицы более горячего вещества сталкиваются с частицами более холодного вещества и передают часть своей тепловой энергии более холодным частицам..

Вождение в определенных твердых и жидких средах обычно происходит быстрее, чем в газах. Материалы, которые являются хорошими проводниками тепловой энергии, называются тепловыми проводниками..

Металлы являются особенно хорошими проводниками тепла, потому что у них есть электроны, которые свободно перемещаются и могут передавать тепловую энергию быстро и легко (CK-12 Foundation, S.F.).

В целом, хорошие проводники электричества (металлы, такие как медь, алюминий, золото и серебро) также являются хорошими проводниками тепла, а электрические изоляторы (дерево, пластик и резина) - плохие проводники тепла..

Кинетическая энергия (средняя) молекулы в теплом теле выше, чем в самом холодном теле. Если две молекулы сталкиваются, происходит передача энергии от горячей молекулы к холоду.

Совокупный эффект всех столкновений приводит к чистому потоку тепла от теплого тела к самому холодному телу (SantoPietro, S.F.).

Материалы с высокой теплопроводностью

Материалы с высокой теплопроводностью необходимы для теплопроводности, чтобы нагревать или охлаждать. Одной из наиболее важных потребностей является электронная промышленность.

Из-за миниатюризации и увеличения мощности микроэлектроники рассеяние тепла является ключом к надежности, производительности и миниатюризации микроэлектроники..

Теплопроводность зависит от многих свойств материала, особенно его структуры и температуры..

Коэффициент теплового расширения особенно важен, поскольку он указывает на способность материала расширяться при нагревании..

Металлы и бриллианты

Медь является наиболее часто используемым металлом, когда требуются материалы с высокой теплопроводностью..

Однако медь предполагает высокий коэффициент теплового расширения (CTE). Сплав инвара (64% Fe ± 36% Ni) имеет исключительно низкое CET между металлами, но очень плохую теплопроводность..

Алмаз является более привлекательным, поскольку он имеет очень высокую теплопроводность и низкую CET, но он дорогой (теплопроводность, S.F.).

Алюминий не такой проводящий, как медь, но имеет низкую плотность, что является привлекательным для авиационной электроники и приложений (например, ноутбуков), требующих небольшого веса.

Металлы являются тепловыми и электрическими проводниками. Алмазы и соответствующие керамические материалы могут использоваться для применений, требующих теплопроводности и электрической изоляции, но неметаллических.

Металлические матричные соединения

Одним из способов снижения CTE металла является формирование композиционного материала с металлической матрицей с использованием наполнителя с низким CTE..

Для этой цели используются керамические частицы, такие как AlN и карбид кремния (SiC), благодаря их комбинации высокой теплопроводности и низкого CTE..

Поскольку наполнитель обычно имеет более низкую CTE и более низкую теплопроводность, чем металлическая матрица, чем выше объемная доля заряда в композите, тем ниже CTE и ниже теплопроводность..

Соединения углеродной матрицы

Углерод является привлекательной матрицей для теплопроводящих соединений благодаря своей теплопроводности (хотя и не такой высокой, как у металлов) и низкой CTE (ниже, чем у металлов).

Кроме того, углерод устойчив к коррозии (более устойчив к коррозии, чем металлы) и имеет небольшой вес.

Другим преимуществом углеродной матрицы является ее совместимость с углеродными волокнами, в отличие от общей реакционной способности металлической матрицы и ее зарядов..

Следовательно, углеродные волокна являются доминирующим наполнителем для композитов с углеродной матрицей..

Углерод и графит

Полностью углеродный материал, изготовленный путем консолидации углеродов-предшественников углерода, ориентированных без связующего вещества и последующей карбонизации и необязательной графитизации, имеет теплопроводность в диапазоне от 390 до 750 Вт / мК в волокне материала.

Другим материалом является пиролитический графит (называемый ТПГ), заключенный в структурную оболочку. Графит (очень текстурированный с осями C зерен, предпочтительно перпендикулярными плоскости графита), имеет теплопроводность в плоскости 1700 Вт / м К (в четыре раза больше, чем у меди), но механически слаб из-за тенденции к вырезать в графитовой плоскости.

Керамические матричные соединения

Матрица из боросиликатного стекла привлекательна своей низкой диэлектрической проницаемостью (4,1) по сравнению с AlN (8,9), глиноземом (9,4), SiC (42), BeO (6,8), кубическим нитридом бора. (7.1), алмаз (5.6) и для стеклокерамики (5.0).

Низкое значение диэлектрической проницаемости желательно для приложений электронной упаковки. С другой стороны, стекло имеет низкую теплопроводность.

Матрица SiC является привлекательной из-за ее высокой CTE по сравнению с углеродной матрицей, хотя она не так теплопроводна, как углерод.

CTE углерода + углеродных соединений слишком низок, что приводит к снижению усталостной долговечности при использовании микросхем на плате (COB) с кварцевыми чипсами.

Углеродный композит с SiC-матрицей состоит из углерод-углеродного соединения, превращающего углеродную матрицу в SiC (Chung, 2001)..

ссылки

  1. Чунг Д. (2001). Материалы для теплопроводности. Прикладная теплотехника 21 , 1593 ± 1605.
  2. Фонд СК-12. (S.F.). Теплопроводники и изоляторы. Получено с ck12.org: ck12.org.
  3. SantoPietro, D. (S.F.). Что такое теплопроводность? Получено из ханакадемии: khanacademy.org.
  4. Инженерный ящик для инструментов. (S.F.). Теплопроводность обычных материалов и газов. Получено из engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.