Delen:
De 7 belangrijkste warmtegeleiders
de warmtegeleiders De belangrijkste zijn metalen en diamanten, metaalmatrixcomposieten, koolstofmatrixcomposieten, koolstof, grafiet en keramische matrixcomposieten..
Thermische geleidbaarheid is een materiaaleigenschap die het vermogen om warmte te geleiden beschrijft en kan worden gedefinieerd als: "De hoeveelheid warmte die door een eenheidsdikte van een materiaal wordt doorgegeven - in een normale richting naar een oppervlak van een eenheidsgebied - als gevolg van een eenheids temperatuurgradiënt onder steady-state omstandigheden "(The Engineering ToolBox, SF).
Met andere woorden, thermische geleiding is de overdracht van thermische energie tussen deeltjes materie die elkaar raken. Thermische geleiding treedt op wanneer deeltjes van hetere materiaal botsen met koudere materiedeeltjes en een deel van hun thermische energie overbrengen naar koudere deeltjes.
Rijden is meestal sneller in bepaalde vaste stoffen en vloeistoffen dan in gassen. De materialen die goede geleiders van thermische energie zijn, worden thermische geleiders genoemd.
Metalen zijn vooral goede thermische geleiders omdat ze elektronen hebben die vrij bewegen en snel warmte-energie kunnen overdragen (CK-12 Foundation, S.F.).
Over het algemeen zijn goede geleiders van elektriciteit (metalen zoals koper, aluminium, goud en zilver) ook goede warmtebronnen, terwijl elektriciteitsisolatoren (hout, kunststof en rubber) slechte warmtegeleiders zijn.
De kinetische energie (gemiddeld) van een molecuul in het warme lichaam is hoger dan in het koudste lichaam. Als twee moleculen botsen, ontstaat er een overdracht van energie van het warme molecuul naar de kou.
Het cumulatieve effect van alle botsingen resulteert in een netto warmtestroom van het warme lichaam naar het koudste lichaam (SantoPietro, S.F.).
Materialen met hoge thermische geleidbaarheid
Materialen met hoge thermische geleidbaarheid zijn nodig voor warmtegeleiding om te verwarmen of te koelen. Een van de meest kritieke behoeften is de elektronische industrie.
Vanwege de miniaturisatie en het toegenomen vermogen van micro-elektronica is warmtedissipatie de sleutel tot de betrouwbaarheid, prestaties en miniaturisatie van micro-elektronica.
Thermische geleidbaarheid is afhankelijk van veel eigenschappen van een materiaal, vooral de structuur en temperatuur.
De thermische uitzettingscoëfficiënt is vooral belangrijk omdat deze het vermogen van een materiaal om met warmte uit te zetten aangeeft.
Metalen en diamanten
Koper is het meest gebruikte metaal wanneer materialen met hoge thermische geleidbaarheid vereist zijn.
Koper neemt echter een hoge coëfficiënt van thermische uitzettingscoëfficiënt (CTE) aan. De Invar-legering (64% Fe ± 36% Ni) is uitzonderlijk laag in Midden-Amerika tussen metalen, maar is zeer slecht in thermische geleidbaarheid.
De diamant is aantrekkelijker, omdat deze een zeer hoge thermische geleidbaarheid en een lage CET heeft, maar deze is duur (Thermal Conductivity, S.F.).
Aluminium is niet zo geleidend als koper, maar heeft een lage dichtheid, wat aantrekkelijk is voor vliegtuigelektronica en toepassingen (bijvoorbeeld laptops) die een laag gewicht vereisen.
Metalen zijn thermische en elektrische geleiders. Diamanten en geschikte keramische materialen kunnen worden gebruikt voor toepassingen die thermische geleidbaarheid en elektrische isolatie vereisen, maar niet-metalen.
Metaalmatrixverbindingen
Een manier om de CTE van een metaal te verminderen, is om een metaalmatrixsamenstelling te maken met een laag CTE-vulmiddel.
Voor dit doel worden keramische deeltjes zoals AlN en siliciumcarbide (SiC) gebruikt vanwege hun combinatie van hoge thermische geleidbaarheid en lage CTE.
Omdat de vulstof gewoonlijk een lagere CTE en een lagere thermische geleidbaarheid heeft dan de metalen matrix, geldt hoe hoger de volumefractie van de lading in de composiet, hoe lager de CTE en hoe lager de thermische geleidbaarheid..
Carbon matrix-verbindingen
Koolstof is een aantrekkelijke matrix voor warmtegeleidende verbindingen vanwege de thermische geleidbaarheid (hoewel niet zo hoog als die van metalen) en lage CTE (lager dan die van metalen).
Bovendien is koolstof bestand tegen corrosie (beter bestand tegen corrosie dan metalen) en het lage gewicht.
Een ander voordeel van de koolstofmatrix is de compatibiliteit met koolstofvezels, in tegenstelling tot de gebruikelijke reactiviteit tussen een metaalmatrix en de ladingen ervan.
Daarom zijn koolstofvezels het dominante vulmiddel voor koolstofmatrixcomposieten.
Koolstof en grafiet
Een koolstofmateriaal vervaardigd door volledige consolidatie koolstofatomen georiënteerd precursors met bindmiddel en daaropvolgende carbonisatie en eventueel grafiet koolstof, een thermische geleidbaarheid die varieert van 390 tot 750 W / mK in het vezelmateriaal.
Een ander materiaal is pyrolytisch grafiet (TPG genaamd) ingekapseld in een structurele schaal. Grafiet (zeer texturing as C van bij voorkeur loodrecht op het vlak van grafietkorrels) een warmtegeleidbaarheid in het vlak van 1700 W / m K (vier maal die van koper), maar mechanisch zwak vanwege de tendens knip in het grafietvlak.
Keramische matrixverbindingen
De matrix van borosilicaatglas is aantrekkelijk vanwege de lage diëlektrische constante (4,1) vergeleken met die van AlN (8,9), alumina (9,4), SiC (42), BeO (6,8) van kubisch boornitride (7.1), diamant (5.6) en voor glas ± keramiek (5.0).
Een lage waarde van de diëlektrische constante is wenselijk voor elektronische verpakkingstoepassingen. Aan de andere kant heeft glas een lage thermische geleidbaarheid.
De SiC-matrix is aantrekkelijk vanwege zijn hoge CTE in vergelijking met de koolstofmatrix, hoewel het niet zo thermisch geleidend is als koolstof.
De CTE van de koolstof + koolstofverbindingen is te laag, wat resulteert in een verminderde levensduur van de moeheid bij chip-on-board (COB) -toepassingen met silica-chips.
Het SiC-matrix-koolstofcomposiet bestaat uit een koolstof-koolstof-verbinding die de koolstofmatrix omzet in SiC (Chung, 2001).
referenties
- Chung, D. (2001). Materialen voor thermische geleiding. Toegepaste thermische engineering 21 , 1593 ± 1605.
- CK-12 Foundation. (S.F.). Thermische geleiders en isolatoren. Teruggeplaatst van ck12.org: ck12.org.
- SantoPietro, D. (S.F.). Wat is thermische geleidbaarheid? Teruggeplaatst van khanacademy: khanacademy.org.
- De Engineering ToolBox. (S.F.). Thermische geleidbaarheid van gangbare materialen en gassen. Opgehaald van engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.