7 glavnih toplotnih prevodnikov



The prevodniki toplote Najpomembnejši so kovine in diamanti, kompoziti kovinskih matric, kompoziti ogljikove matrike, ogljikovi, grafitni in keramični kompoziti..

Toplotna prevodnost je lastnost materiala, ki opisuje zmožnost vodenja toplote in je lahko definirana kot: "Količina toplote, ki se prenaša skozi enoto debeline materiala - v normalni smeri na površino enote - zaradi temperaturni gradient enote v stacionarnih pogojih "(Inženirska orodna vrstica, SF).

Z drugimi besedami, toplotna prevodnost je prenos toplotne energije med delci snovi, ki se dotikajo. Toplotna prevodnost se pojavi, ko se delci vroče snovi srečajo s hladnejšimi delci snovi in ​​prenesejo del svoje toplotne energije na hladnejše delce.

Vožnja je običajno hitrejša pri nekaterih trdnih snoveh in tekočinah kot v plinih. Materiali, ki so dobri prevodniki toplotne energije, se imenujejo toplotni prevodniki.

Kovine so še posebej dobri toplotni prevodniki, ker imajo elektrone, ki se prosto gibljejo in lahko hitro in enostavno prenašajo toplotno energijo (fundacija CK-12, S.F.).

Na splošno so dobri prevodniki električne energije (kovine, kot so baker, aluminij, zlato in srebro) tudi dobri prevodniki toplote, medtem ko so električni izolatorji (les, plastika in guma) slabi prevodniki toplote..

Kinetična energija (povprečje) molekule v toplem telesu je višja kot v najhladnejšem telesu. Če trčita dve molekuli, pride do prenosa energije iz vroče molekule v hladno.

Kumulativni učinek vseh trkov povzroči neto pretok toplote iz toplega telesa v najhladnejše telo (SantoPietro, S.F.).

Materiali visoke toplotne prevodnosti

Za toplotno prevodnost so potrebni visokotemperaturni materiali za ogrevanje ali hlajenje. Ena najbolj kritičnih potreb je elektronska industrija.

Zaradi miniaturizacije in povečane moči mikroelektronike je odvajanje toplote ključnega pomena za zanesljivost, zmogljivost in miniaturizacijo mikroelektronike..

Toplotna prevodnost je odvisna od mnogih lastnosti materiala, zlasti od njegove strukture in temperature.

Koeficient toplotnega raztezanja je še posebej pomemben, ker kaže na sposobnost materiala, da se širi s toploto.

Kovine in diamanti

Baker je najpogosteje uporabljena kovina, kadar so potrebni visokotemperaturni materiali.

Vendar pa bakra predpostavlja visok koeficient koeficienta toplotnega raztezanja (CTE). Invarna zlitina (64% Fe ± 36% Ni) je izredno nizka v CET med kovinami, vendar je zelo slaba po toplotni prevodnosti.

Diamant je bolj privlačen, saj ima zelo visoko toplotno prevodnost in nizko CET, vendar je drag (Termalna prevodnost, S.F.).

Aluminij ni tako prevoden kot baker, vendar ima nizko gostoto, ki je privlačna za letalsko elektroniko in aplikacije (npr. Prenosne računalnike), ki zahtevajo majhno težo.

Kovine so toplotni in električni vodniki. Diamanti in ustrezni keramični materiali se lahko uporabljajo za aplikacije, ki zahtevajo toplotno prevodnost in električno izolacijo, vendar ne kovine.

Kovinske matrične spojine

Eden od načinov za zmanjšanje CTE kovine je oblikovanje kovinskega kompozita z nizkim CTE polnilom.

V ta namen se uporabljajo keramični delci, kot sta AlN in silicijev karbid (SiC), zaradi njihove kombinacije visoke toplotne prevodnosti in nizkega CTE..

Ker ima polnilo običajno nižji CTE in manjšo toplotno prevodnost kot kovinska matrika, višji je volumenski delež naboja v kompozitu, nižji je CTE in nižja je toplotna prevodnost..

Spojine z ogljikovim matriksom

Ogljik je privlačna matrika za toplotno prevodne spojine zaradi svoje toplotne prevodnosti (čeprav ne tako visoke kot pri kovinah) in nizkega CTE (nižjega od kovin)..

Poleg tega je ogljik odporen proti koroziji (bolj odporen proti koroziji kot kovine) in njeni majhni teži.

Druga prednost ogljikovega matriksa je njegova združljivost z ogljikovimi vlakni, v nasprotju s skupno reaktivnostjo med kovinsko matrico in njenimi naboji.

Zato so ogljikova vlakna prevladujoče polnilo za kompozite ogljikove matrike.

Ogljik in grafit

V celoti ogljikov material, izdelan s konsolidacijo ogljika prekurzorja ogljika, ki je usmerjen brez veziva in naknadne karbonizacije in neobvezne grafitizacije, ima toplotno prevodnost v območju vlaken materiala med 390 in 750 W / mK..

Drugi material je pirolitični grafit (imenovan TPG), oblečen v strukturno lupino. Grafit (zelo teksturiran s c-osmi zrn, prednostno pravokotno na ravnino grafita), ima toplotno prevodnost v ravnini 1700 W / m K (štirikrat večji od bakra), vendar je mehansko šibek zaradi težnje po rez v grafitni ravnini.

Keramične matrične spojine

Matrika iz borosilikatnega stekla je privlačna zaradi nizke dielektrične konstante (4.1) v primerjavi z AlN (8.9), aluminijevega oksida (9.4), SiC (42), BeO (6.8), kubičnega borovega nitrida. (7.1), diamant (5.6) in za steklo ± keramika (5.0).

Za elektronsko pakiranje je zaželena nizka vrednost dielektrične konstante. Po drugi strani ima steklo nizko toplotno prevodnost.

SiC matrika je privlačna zaradi visokega CTE v primerjavi z ogljikovim matriksom, čeprav ni tako toplotno prevodna kot ogljik.

CTE ogljikove spojine z ogljikovimi spojinami je prenizka, kar povzroči manjšo življenjsko dobo pri aplikacijah s čipom na krovu s silicijevim dioksidom..

Kompozit ogljikovega ogljikovega ogljika, ki pretvori ogljikovo matriko v SiC (SiC, Chung, 2001).

Reference

  1. Chung, D. (2001). Materiali za toplotno prevodnost. Uporabna toplotna tehnika 21 , 1593 ± 1605.
  2. Fundacija CK-12. (S.F.). Toplotni prevodniki in izolatorji. Vzpostavljeno iz ck12.org: ck12.org.
  3. SantoPietro, D. (S.F.). Kaj je toplotna prevodnost? Vzpostavljeno iz khanacademy: khanacademy.org.
  4. Inštalacijski pripomoček. (S.F.). Toplotna prevodnost skupnih materialov in plinov. Vzpostavljeno iz engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.