7 peamist soojust juhtivat



The soojusjuhtmed Peamised neist on metallid ja teemandid, metallmaatrikskomposiidid, süsinikmaatriksi komposiidid, süsiniku-, grafiit- ja keraamilised maatrikskomposiidid..

Soojusjuhtivus on materiaalne omadus, mis kirjeldab soojuse juhtimise võimet ja mida saab defineerida järgmiselt: "Materjali ühikpaksuse kaudu edastatav soojuse hulk - normaalses suunas pindala pindalale" ühiku temperatuuri gradient püsiseisundi tingimustes "(Engineering ToolBox, SF).

Teisisõnu, soojusjuhtivus on soojusenergia ülekandmine materjali osakeste vahel, mis puutuvad kokku. Soojusjuhtivus tekib siis, kui kuumema materjali osakesed põrkuvad kokku külmema aine osakestega ja kannavad osa oma soojusenergiast külmematele osakestele.

Sõitmine on teatud tahkete ainete ja vedelike puhul tavaliselt kiirem kui gaasides. Soojusenergia heade juhtivate materjalidena nimetatakse soojusjuhtmeid.

Metallid on eriti head soojusjuhtmed, sest neil on vabalt liikuvad elektronid, mis võivad soojust energiat kiiresti ja lihtsalt edastada (CK-12 Foundation, S.F.).

Üldiselt on head elektrijuhtmed (näiteks metall, nagu vask, alumiinium, kuld ja hõbe) head soojuse juhtmed, samas kui elektriisolaatorid (puit, plast ja kumm) on kehvad soojusjuhtmed..

Soe kehas oleva molekuli kineetiline energia (keskmine) on kõrgem kui külmemas kehas. Kui kaks molekuli põrkuvad kokku, toimub energia ülekandmine kuumast molekulist külmale.

Kõigi kokkupõrgete kumulatiivne mõju põhjustab sooja keha sooja voolu külmaimale kehale (SantoPietro, S.F.)..

Kõrge soojusjuhtivusega materjalid

Kuumutamiseks või jahutamiseks on soojusjuhtimiseks vaja kõrgeid soojusjuhtivusega materjale. Üks kõige kriitilisemaid vajadusi on elektroonikatööstus.

Mikroelektroonika miniatuursuse ja suurenenud võimsuse tõttu on soojuse hajutamine mikroelektroonika usaldusväärsuse, jõudluse ja miniatuurimise võti..

Soojusjuhtivus sõltub paljudest materjali omadustest, eriti selle struktuurist ja temperatuurist.

Soojuspaisumistegur on eriti oluline, kuna see näitab materjali võimet kuumeneda.

Metallid ja teemandid

Vask on kõige sagedamini kasutatav metall kõrge soojusjuhtivusega materjalide puhul.

Vask eeldab siiski suurt soojuspaisumistegurit (CTE). Invari sulam (64% Fe ± 36% Ni) on CET-s erakordselt madal metallide vahel, kuid soojusjuhtivus on väga halb.

Teemant on atraktiivsem, kuna tal on väga kõrge soojusjuhtivus ja madal CET, kuid see on kallis (soojusjuhtivus, S.F.).

Alumiinium ei ole nii juhtiv kui vask, kuid tal on väike tihedus, mis on atraktiivne õhusõidukite elektroonikale ja rakendustele (näiteks sülearvutitele), mis vajavad väikest kaalu.

Metallid on soojus- ja elektrijuhtmed. Teemandid ja sobivad keraamilised materjalid on kasutatavad rakendustes, mis vajavad soojusjuhtivust ja elektriisolatsiooni, kuid mitte-metallid.

Metallmaatriksiühendid

Üks viis metalli CTE vähendamiseks on metallmaatriksikomposiidi moodustamine, kasutades madala CTE täiteainet.

Selleks kasutatakse keraamilisi osakesi nagu AlN ja ränikarbiid (SiC) tänu nende kõrgele soojusjuhtivusele ja madalale CTE-le..

Kuna täiteainel on tavaliselt madalam CTE ja madalam soojusjuhtivus kui metallmaatriksil, seda suurem on komposiitis sisalduva laengu maht, seda madalam on CTE ja madalam soojusjuhtivus..

Süsinikmaatriksiühendid

Süsinik on soojust juhtivate ühendite jaoks atraktiivne maatriks, kuna selle soojusjuhtivus (kuigi see ei ole nii kõrge kui metallid) ja madal CTE (madalam kui metallid).

Lisaks sellele on süsinik korrosioonikindel (korrosioonile vastupidavam kui metallid) ja selle väike kaal.

Süsinikmaatriksi teine ​​eelis on selle kokkusobivus süsinikkiududega, erinevalt metallmaatriksi ja selle laengute tavalisest reaktiivsusest.

Seetõttu on süsiniku kiudude süsiniku maatriksi komposiitide domineeriv täiteaine.

Süsinik ja grafiit

Täielikult süsinikusisaldusega materjal, mis on valmistatud sideaineta orienteeritud süsiniku eellaste süsiniku konsolideerimisel ja sellele järgneval karboniseerimisel ja valikulisel grafitiseerimisel, on soojusjuhtivusega 390 kuni 750 W / mK materjali kiudaines..

Teine materjal on pürolüütiline grafiit (nimetatakse TPG-ks), mis on kaetud konstruktsiooniga. Graafil (mis on väga tekstureeritud, kui graanulite tasapinnaga risti olevad terad on c-telgedega) on soojusjuhtivus 1700 W / m K tasapinnal (neli korda suurem kui vase puhul), kuid on mehaaniliselt nõrk tänu kalduvusele grafiittasandil.

Keraamilised maatriksiühendid

Borosilikaatklaasmaatriks on atraktiivne tänu oma madalale dielektrilisele konstantile (4,1) võrreldes AlN-i (8,9), alumiiniumoksiidi (9.4), BeO (6.8), kuubilise boornitriidi, omaga. (7.1), teemant (5.6) ja klaas ± keraamiline (5.0).

Elektrooniliste pakendamisrakenduste puhul on soovitav dielektrilise konstandi väike väärtus. Teisest küljest on klaasil madal soojusjuhtivus.

SiC maatriks on süsiniku maatriksiga võrreldes kõrge CTE tõttu atraktiivne, kuigi see ei ole nii soojusjuhtiv kui süsinikuaatom.

Süsiniku ja süsinikuühendite CTE on liiga madal, mille tulemuseks on vähenenud väsimuse eluiga rongisisestel (COB) rakendustel ränidioksiidi kiibidega.

SiC-maatriksi süsinik-komposiit koosneb süsinik-süsinikühendist, mis muundab süsinikmaatriksi SiC-ks (Chung, 2001).

Viited

  1. Chung, D. (2001). Materjalid soojusjuhtimiseks. Rakendatud termotehnika 21 , 1593 ± 1605.
  2. CK-12 sihtasutus. (S.F.). Soojusjuhtmed ja isolaatorid. Välja otsitud aadressilt ck12.org: ck12.org.
  3. SantoPietro, D. (S.F.). Mis on soojusjuhtivus? Välja otsitud khanacademyst: khanacademy.org.
  4. Engineering ToolBox. (S.F.). Üldiste materjalide ja gaaside soojusjuhtivus. Välja otsitud insenertehnikast: engineeringtoolbox.com.