Дял:
7-те главни топлопроводника
на топлопроводници Основните от тях са метали и диаманти, композитни метални матрици, композитни въглеродни матрици, въглеродни, графитни и керамични матрични композитни материали..
Топлинната проводимост е материална характеристика, която описва способността за провеждане на топлина и може да се дефинира като: "Количеството топлина, предавана чрез единична дебелина на материал - в нормална посока към повърхност на единица площ - поради единичен температурен градиент при стационарни условия "(Инженерната Toolbox, SF).
С други думи, термичната проводимост е прехвърлянето на топлинна енергия между частиците на материята, които се докосват. Термичната проводимост се случва, когато частици от по-гореща материя се сблъскат с по-студени частици и прехвърлят част от тяхната топлинна енергия към по-студени частици.
Шофирането обикновено е по-бързо в някои твърди вещества и течности, отколкото в газовете. Материалите, които са добри проводници на топлинната енергия, се наричат топлинни проводници.
Металите са особено добри топлопроводители, тъй като имат електрони, които се движат свободно и могат бързо и лесно да прехвърлят топлинна енергия (CK-12 Foundation, S.F.).
Като цяло, добри проводници на електроенергия (метали като мед, алуминий, злато и сребро) също са добри проводници на топлина, докато електрическите изолатори (дърво, пластмаса и гума) са лоши проводници на топлина..
Кинетичната енергия (средна) на молекулата в топлото тяло е по-висока, отколкото в най-студеното тяло. Ако две молекули се сблъскат, се получава пренос на енергия от горещата молекула към студа.
Кумулативният ефект на всички сблъсъци води до нетен поток на топлина от топлото тяло до най-студеното тяло (SantoPietro, S.F.).
Материали с висока топлопроводимост
Необходими са материали с висока топлопроводимост за топлопроводимост, за да се загреят или охладят. Една от най-критичните нужди е електронната индустрия.
Благодарение на миниатюризацията и повишената мощност на микроелектрониката, разсейването на топлината е от ключово значение за надеждността, производителността и миниатюризацията на микроелектрониката..
Топлинната проводимост зависи от много свойства на материала, особено неговата структура и температура.
Коефициентът на термично разширение е особено важен, тъй като показва способността на материала да се разширява с топлина.
Метали и диаманти
Медът е най-често използваният метал, когато се изискват материали с висока топлопроводимост.
Въпреки това медът приема висок коефициент на термично разширение (CTE). Сплавът Invar (64% Fe ± 36% Ni) е изключително нисък в CET между металите, но е с много ниска топлинна проводимост.
Диамантът е по-атрактивен, тъй като има много висока топлопроводимост и ниска СЕЦ, но е скъп (Thermal Conductivity, S.F.).
Алуминият не е толкова проводим като медта, но има ниска плътност, която е привлекателна за електрониката и приложенията на самолети (например лаптопи), които изискват ниско тегло.
Металите са топлинни и електрически проводници. Диамантите и подходящите керамични материали могат да се използват за приложения, които изискват топлопроводимост и електрическа изолация, но неметали.
Съединения с метална матрица
Един от начините за намаляване на КТР на метала е да се образува композит от метална матрица, използвайки пълнител с ниска КТЕ.
За тази цел се използват керамични частици като AlN и силициев карбид (SiC), поради тяхната комбинация от висока топлопроводимост и ниска КТР..
Тъй като пълнителят обикновено има по-ниска КТР и по-ниска топлопроводимост от металната матрица, колкото по-голяма е обемната част на заряда в композита, толкова по-ниска е КТР и по-ниската топлопроводимост..
Въглеродни матрични съединения
Въглеродът е атрактивна матрица за съединенията с топлопроводимост поради неговата топлопроводимост (макар и не толкова висока като тази на металите) и ниска КТР (по-ниска от тази на металите).
Освен това въглеродът е устойчив на корозия (по-устойчив на корозия от метали) и неговото ниско тегло.
Друго предимство на въглеродната матрица е неговата съвместимост с въглеродните влакна, за разлика от общата реактивност между метална матрица и нейните заряди.
Следователно, въглеродните влакна са доминиращият пълнител за композитите с въглеродна матрица.
Въглерод и графит
Изцяло въглероден материал, произведен чрез консолидиране на въглеродни прекурсори, ориентирани без свързващо вещество и последваща карбонизация и по желание графитизация, има топлопроводимост в диапазона между 390 и 750 W / mK в влакното на материала..
Друг материал е пиролитичен графит (наречен TPG), обвит в структурна обвивка. Графитът (много текстуриран с c-осите на зърната, за предпочитане перпендикулярни на равнината на графита), има топлинна проводимост в 1700 W / m K равнина (четири пъти по-голяма от тази на мед), но е механично слаба поради тенденцията към нарязани в графитна равнина.
Керамични матрични съединения
Матрицата от боросиликатно стъкло е привлекателна поради ниската си диелектрична константа (4.1) в сравнение с тази на AlN (8.9), на алуминиев оксид (9.4), на SiC (42), на BeO (6.8), на кубичен борен нитрид (7.1), диамант (5.6) и за стъкло ± керамика (5.0).
Ниска стойност на диелектричната константа е желателна за приложенията за електронни опаковки. От друга страна, стъклото има ниска топлопроводимост.
SiC матрицата е привлекателна поради високата си КТР в сравнение с въглеродната матрица, въпреки че не е толкова топлопроводима като въглерода.
КТР на въглерод + въглеродните съединения е твърде ниска, което води до намален живот на умора в приложенията с чип на борда (COB) със силициеви чипове.
SiC матрицата на въглеродния композит се състои от въглерод-въглероден компонент, преобразуващ въглеродната матрица в SiC (Chung, 2001)..
препратки
- Chung, D. (2001). Материали за топлинна проводимост. Приложна топлинна техника 21 , 1593 ± 1605.
- Фондация CK-12. (S.F.). Топлопроводници и изолатори. Извлечено от ck12.org: ck12.org.
- SantoPietro, D. (S.F.). Какво е топлопроводимост? Възстановен от khanacademy: khanacademy.org.
- Инструментален инструмент. (S.F.). Термична проводимост на общите материали и газове. Получено от engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.