7 galvenie siltuma vadi

The siltuma vadi Galvenie ir metāli un dimanti, metāla matricas kompozīti, oglekļa matricas kompozīti, oglekļa, grafīta un keramikas matricas kompozīti..

Siltumvadītspēja ir materiāla īpašība, kas raksturo spēju veikt siltumu, un to var definēt kā: "Siltuma daudzums, kas tiek pārnests caur materiāla biezumu - normālā virzienā uz vienības laukuma virsmu - sakarā ar vienības temperatūras gradientu līdzsvara apstākļos ”(The Engineering ToolBox, SF).

Citiem vārdiem sakot, termiskā vadīšana ir siltumenerģijas pārnese starp daļiņu daļiņām, kas pieskaras. Termiskā vadīšana notiek, kad karstākas vielas daļiņas saduras ar aukstākas vielas daļiņām un pārnes daļu siltuma enerģijas uz aukstākām daļiņām.

Braukšana parasti ir ātrāka dažās cietās daļās un šķidrumos nekā gāzēs. Materiālus, kas ir labi siltumenerģijas vadītāji, sauc par siltuma vadiem.

Metāli ir īpaši labi siltuma vadi, jo tiem ir elektroni, kas brīvi pārvietojas un var ātri un viegli nodot siltuma enerģiju (CK-12 Foundation, S.F.).

Kopumā labi elektrības vadi (metāli, piemēram, varš, alumīnijs, zelts un sudrabs) ir arī labi siltuma vadītāji, savukārt elektroizolatori (koks, plastmasa un gumija) ir slikti siltuma vadi..

Molekulas kinētiskā enerģija siltā ķermenī ir augstāka nekā aukstākajā ķermenī. Ja sadursies divas molekulas, notiek enerģijas pārnešana no karstās molekulas uz aukstumu.

Visu sadursmju kumulatīvā iedarbība rada siltuma plūsmas neto plūsmu no silta ķermeņa uz aukstāko ķermeni (SantoPietro, S.F.)..

Augsti siltuma vadītspējas materiāli

Siltuma vadīšanai ir nepieciešami augstas siltuma vadītspējas materiāli, lai apsildītu vai atdzesētu. Viena no vissvarīgākajām vajadzībām ir elektroniskā rūpniecība.

Pateicoties mikroelektronikas miniaturizācijai un pastiprinātai jaudai, siltuma izkliede ir ļoti svarīga mikroelektronikas uzticamībai, veiktspējai un miniaturizācijai..

Siltumvadītspēja ir atkarīga no daudzām materiāla īpašībām, jo ​​īpaši no tā struktūras un temperatūras.

Siltuma izplešanās koeficients ir īpaši svarīgs, jo tas norāda uz materiāla spēju paplašināties ar siltumu.

Metāli un dimanti

Vara ir visbiežāk izmantotais metāls, ja ir nepieciešami augstas siltuma vadītspējas materiāli.

Tomēr vara var uzņemties augstu siltuma izplešanās koeficienta koeficientu (CTE). Invar sakausējums (64% Fe ± 36% Ni) ir ārkārtīgi zems CET laikā starp metāliem, bet ir ļoti slikts siltumvadītspējas ziņā..

Dimants ir pievilcīgāks, jo tam ir ļoti augsta siltumvadītspēja un zema CET, bet tas ir dārgs (siltuma vadītspēja, S.F.).

Alumīnijs nav tik vadītspējīgs kā varš, bet tam ir zems blīvums, kas ir pievilcīgs lidaparātu elektronikai un lietojumprogrammām (piemēram, klēpjdatoriem), kam nepieciešams mazs svars..

Metāli ir termiskie un elektriskie vadītāji. Dimanti un piemēroti keramikas materiāli var tikt izmantoti lietojumprogrammām, kurās nepieciešama siltumvadītspēja un elektriskā izolācija, bet ne metāli.

Metāla matricas savienojumi

Viens veids, kā samazināt metāla CTE, ir veidot metāla matricas kompozītu, izmantojot zemu CTE pildvielu.

Šim nolūkam tiek izmantotas tādas keramikas daļiņas kā AlN un silīcija karbīds (SiC), jo tām ir augsta siltuma vadītspēja un zems CTE..

Tā kā pildvielai parasti ir zemāks CTE un zemāks siltumvadītspēja nekā metāliskajai matricai, jo lielāks ir uzlādes daudzums frakcijā, jo zemāka ir CTE un jo zemāka ir siltuma vadītspēja..

Oglekļa matricas savienojumi

Ogleklis ir pievilcīga matrica siltuma vadīšanas savienojumiem, jo ​​tā siltuma vadītspēja (kaut arī ne tik augsta kā metālu) un zemais CTE (zemāks nekā metālu)..

Turklāt ogleklis ir izturīgs pret koroziju (izturīgāks pret koroziju nekā metāli) un tā mazo svaru.

Vēl viena oglekļa matricas priekšrocība ir tā savietojamība ar oglekļa šķiedrām, atšķirībā no kopējās reaktivitātes starp metāla matricu un tās uzlādēm.

Tāpēc oglekļa šķiedras ir oglekļa matricas kompozītu dominējošā pildviela.

Ogleklis un grafīts

Pilnībā oglekļa materiālam, ko ražo, apvienojot oglekļa prekursoru oglekli, kas orientēti bez saistvielas un pēc tam karbonizāciju un neobligātu grafitizāciju, materiāla šķiedrā ir siltuma vadītspēja no 390 līdz 750 W / mK..

Vēl viens materiāls ir pirolītiskais grafīts (TPG), kas pārklāts ar strukturālu apvalku. Grafītam (ļoti strukturētam ar graudaugu c-asīm, kas ir perpendikulāras grafīta plaknei) ir siltuma vadītspēja 1700 W / m K plaknē (četras reizes lielāka nekā vara), bet mehāniski vāja, jo ir tendence sagriež grafīta plaknē.

Keramikas matricas savienojumi

Borosilikāta stikla matrica ir pievilcīga, jo tā zemā dielektriskā konstante (4,1), salīdzinot ar AlN (8.9), alumīnija oksīda (9.4), BeO (6.8.) SiC (42), no kubiskā bora nitrīda. (7.1.), Dimanta (5.6.) Un stikla - keramikas (5.0).

Elektroniskajam iepakojumam vēlams izmantot zemu dielektriskās konstantes vērtību. No otras puses, stiklam ir zema siltuma vadītspēja.

SiC matrica ir pievilcīga, jo tā ir augsta CTE, salīdzinot ar oglekļa matricu, lai gan tā nav tik termiski vadoša kā ogleklis..

Oglekļa + oglekļa savienojumu CTE ir pārāk zems, kā rezultātā samazinās noguruma ilgums mikroshēmas (COB) lietojumos ar silīcija mikroshēmām.

SiC matricas oglekļa kompozīts sastāv no oglekļa-oglekļa savienojuma, kas oglekļa matricu pārveido par SiC (Chung, 2001).

Atsauces

1. Chung, D. (2001). Materiāli siltuma vadīšanai. Lietišķā siltumtehnika 21 , 1593 ± 1605.
2. CK-12 fonds. (S.F.). Siltumvadītāji un izolatori. Izgūti no ck12.org: ck12.org.
3. SantoPietro, D. (S.F.). Kas ir siltumvadītspēja? Saturs iegūts no khanacademy: khanacademy.org.
4. Inženierijas rīkjosla. (S.F.). Kopīgo materiālu un gāzu siltumvadītspēja. Saturs iegūts no engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.