7 головних теплопровідників



The теплопровідники Основними з них є метали та алмази, композити металевої матриці, композити вуглецевої матриці, вуглецеві, графітові та керамічні матричні композити..

Теплопровідність є властивістю матеріалу, що описує здатність проводити тепло і може бути визначена як: "кількість тепла, що передається через одиницю товщини матеріалу - в нормальному напрямку до площі одиниці площі - через одиничний температурний градієнт у стаціонарних умовах "(Інженерний інструмент, SF).

Іншими словами, теплопровідність - це передача теплової енергії між частинками речовини, що доторкаються. Теплопровідність відбувається, коли частинки гарячої речовини стикаються з частинками більш холодної речовини і передають частину своєї теплової енергії холодним частинкам.

У деяких твердих тілах і рідинах водіння швидше, ніж у газах. Матеріали, які є хорошими провідниками теплової енергії, називаються теплопровідниками.

Метали особливо хороші теплопровідники, тому що вони мають електрони, які вільно рухаються і можуть швидко і легко передавати теплову енергію (CK-12 Foundation, S.F.).

Загалом, хороші провідники електроенергії (метали, такі як мідь, алюміній, золото і срібло) також є добрими провідниками тепла, тоді як електричні ізолятори (дерево, пластик і гума) є поганими провідниками тепла..

Кінетична енергія (середня) молекули в теплому тілі вище, ніж у найхолоднішому тілі. Якщо дві молекули стикаються, відбувається перенесення енергії з гарячої молекули на холод.

Сукупний ефект всіх зіткнень призводить до чистого потоку тепла від теплого тіла до холодного тіла (SantoPietro, S.F.).

Матеріали високої теплопровідності

Для теплопровідності необхідні матеріали з високою теплопровідністю для нагрівання або охолодження. Однією з найбільш критичних потреб є електронна промисловість.

Завдяки мініатюризації та підвищеній потужності мікроелектроніки розсіювання тепла є запорукою надійності, продуктивності та мініатюризації мікроелектроніки.

Теплопровідність залежить від багатьох властивостей матеріалу, особливо його структури і температури.

Коефіцієнт теплового розширення особливо важливий, оскільки він вказує на здатність матеріалу розширюватися за допомогою тепла.

Метали та алмази

Мідь є найбільш часто використовуваним металом, коли потрібні матеріали з високою теплопровідністю.

Однак мідь припускає високий коефіцієнт коефіцієнта теплового розширення (КТР). Сплав інвару (64% Fe ± 36% Ni) є виключно низьким у CET між металами, але дуже низький по теплопровідності.

Алмаз є більш привабливим, оскільки має дуже високу теплопровідність і низьку CET, але це дорого (Thermal Conductivity, S.F.).

Алюміній не настільки електропровідний, як мідь, але має низьку щільність, що є привабливим для авіаційної електроніки і додатків (наприклад, ноутбуків), які вимагають невеликої ваги.

Метали є тепловими та електричними провідниками. Діаманти та відповідні керамічні матеріали можуть бути використані для застосувань, які вимагають теплопровідності та електричної ізоляції, але неметалів.

Сполуки металевої матриці

Одним із способів зменшення КТР металу є формування композиту металевої матриці з використанням наповнювача з низьким КТР.

Для цього використовують керамічні частинки, такі як AlN і карбід кремнію (SiC), завдяки їх комбінації високої теплопровідності і низького КТР.

Оскільки наповнювач, як правило, має більш низький КТР і меншу теплопровідність, ніж металева матриця, чим вище об'ємна частка заряду в композиті, тим нижче КТР і тим нижче теплопровідність..

Вуглецеві матричні сполуки

Вуглець є привабливою матрицею для сполук теплопровідності завдяки своїй теплопровідності (хоча і не настільки високою, як метали) і низьким КТР (нижче, ніж у металів).

Крім того, вуглець стійкий до корозії (більш стійкий до корозії, ніж метали) і його малої ваги.

Іншою перевагою вуглецевої матриці є її сумісність з вуглецевими волокнами, на відміну від загальної реактивності між металевою матрицею і її зарядами.

Тому вуглецеві волокна є домінуючим наповнювачем для композитів вуглецевої матриці.

Вуглець і графіт

Повністю вуглецевий матеріал, виготовлений шляхом ущільнення вуглецевих вуглецевих прекурсорів, орієнтованих без сполучного, з подальшою карбонізацією і необов'язковою графітизацією, має теплопровідність в діапазоні між 390 і 750 Вт / мК в волокні матеріалу.

Іншим матеріалом є піролітичний графіт (званий TPG), укладений в структурну оболонку. Графіт (дуже текстурований з c-осями зерен, переважно перпендикулярних площині графіту), має теплопровідність у площині 1700 Вт / м K (в чотири рази більше, ніж у міді), але механічно слабкий через тенденцію до вирізати в графітовій площині.

Керамічні матричні сполуки

Матриця боросилікатного скла приваблива через низьку діелектричну проникність (4.1), порівняно з низьким вмістом AlN (8.9), оксиду алюмінію (9.4), SiC (42), BeO (6.8), кубічного нітриду бору (7.1), алмаз (5.6) і для скла ± кераміка (5.0).

Низьке значення діелектричної проникності є бажаним для застосування в електронних упаковках. З іншого боку, скло має низьку теплопровідність.

Матриця SiC є привабливою через високу КТР порівняно з вуглецевою матрицею, хоча вона не настільки теплопровідна, як вуглець.

КТР вуглецевих + вуглецевих сполук є занадто низьким, що призводить до зниження втомної довговічності у застосуваннях мікросхем на борту (COB) з кремнеземними чіпами.

Вуглецевий композит з матриці SiC складається з вуглець-вуглецевої сполуки, що перетворює вуглецеву матрицю в SiC (Chung, 2001)..

Список літератури

  1. Chung, D. (2001). Матеріали для теплопровідності. Прикладна теплотехніка 21 , 1593 ± 1605.
  2. Фонд СК-12. (S.F.). Теплопровідники та ізолятори. Отримано з ck12.org: ck12.org.
  3. SantoPietro, D. (S.F.). Що таке теплопровідність? Отримано від khanacademy: khanacademy.org.
  4. Інженерна панель інструментів. (S.F.). Теплопровідність загальних матеріалів і газів. Отримано з engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.