Jaa:
7 lämmönjohtoa
lämmönjohtimet Tärkeimmät ovat metallit ja timantit, metallimatriisikomposiitit, hiilimatriisikomposiitit, hiili-, grafiitti- ja keraamiset matriisikomposiitit..
Lämmönjohtavuus on materiaaliominaisuus, joka kuvaa lämmönjohtokykyä ja se voidaan määritellä seuraavasti: "Materiaalin yksikköpaksuuden kautta kulkevan lämmön määrä - normaalissa suunnassa yksikön pinta-alaan nähden" johtuen yksikkölämpötila-gradientti vakaan tilan olosuhteissa "(Engineering ToolBox, SF).
Toisin sanoen lämpöjohtavuus on lämpöenergian siirto aineen hiukkasten välillä, jotka koskettavat. Lämpöjohtuminen tapahtuu, kun kuumemman aineen hiukkaset törmäävät kylmempien aineiden hiukkasiin ja siirtävät osan lämpöenergiasta kylmemmille hiukkasille.
Ajaminen on yleensä nopeampaa tietyissä kiintoaineissa ja nesteissä kuin kaasuissa. Lämpöenergian hyviä johtimia kutsutaan lämpöjohtimiksi.
Metallit ovat erityisen hyviä lämpöjohtimia, koska niissä on vapaasti liikkuvia elektroneja, jotka voivat siirtää lämpöenergiaa nopeasti ja helposti (CK-12 Foundation, S.F.).
Yleensä hyvät sähkönjohtimet (metallit, kuten kupari, alumiini, kulta ja hopea) ovat myös hyviä lämmönjohtimia, kun taas sähköneristimet (puu, muovi ja kumi) ovat huonoja lämpöjohtimia..
Lämmin elin molekyylin kineettinen energia (keskiarvo) on korkeampi kuin kylmimmässä kehossa. Jos kaksi molekyyliä törmäävät, energia siirtyy kuumasta molekyylistä kylmään.
Kaikkien törmäysten kumulatiivinen vaikutus johtaa lämmön nettovirtaan lämpimästä kehosta kylmimpään kehoon (SantoPietro, S.F.)..
Korkeat lämmönjohtavuusmateriaalit
Lämpöjohtokykyyn tarvitaan lämpöä johtavia materiaaleja, jotta ne kuumenevat tai jäähtyvät. Yksi kriittisimmistä tarpeista on elektroniikkateollisuus.
Mikroelektroniikan miniaturisoinnin ja lisääntyneen tehon ansiosta lämmöntuotto on avain mikroelektroniikan luotettavuuteen, suorituskykyyn ja pienentämiseen..
Lämmönjohtavuus riippuu materiaalin monista ominaisuuksista, erityisesti sen rakenteesta ja lämpötilasta.
Lämpölaajenemiskerroin on erityisen tärkeä, koska se osoittaa materiaalin kykyä laajentaa lämpöä.
Metallit ja timantit
Kupari on yleisimmin käytetty metalli, kun tarvitaan korkeita lämmönjohtavuusmateriaaleja.
Kupari ottaa kuitenkin huomioon suuren lämpölaajenemiskertoimen (CTE). Invar-seos (64% Fe ± 36% Ni) on poikkeuksellisen alhainen CET: ssä metallien välillä, mutta se on erittäin heikko lämmönjohtavuudessa.
Timantti on houkuttelevampi, koska sillä on erittäin korkea lämmönjohtavuus ja matala CET, mutta se on kallista (lämpöjohtavuus, S.F.).
Alumiini ei ole yhtä johtava kuin kupari, mutta sen tiheys on alhainen, mikä on houkutteleva lentokoneiden elektroniikkaan ja sovelluksiin (esimerkiksi kannettaviin tietokoneisiin), jotka tarvitsevat pienen painon..
Metallit ovat lämpö- ja sähköjohtimia. Timantteja ja sopivia keraamisia materiaaleja voidaan käyttää sovelluksiin, jotka vaativat lämmönjohtavuutta ja sähköeristystä, mutta ei-metalleja.
Metalli matriisiyhdisteet
Eräs tapa vähentää metallin CTE: tä on muodostaa metallimatriisikomposiitti käyttäen matalaa CTE-täyteainetta.
Tätä tarkoitusta varten käytetään keraamisia hiukkasia, kuten AlN: ää ja piikarbidia (SiC), koska niiden yhdistelmä on korkea lämmönjohtavuus ja alhainen CTE..
Koska täyteaineella on tavallisesti matalampi CTE ja pienempi lämmönjohtavuus kuin metallimatriisilla, sitä suurempi on varauksen tilavuusosuus komposiitissa, sitä pienempi on CTE ja mitä pienempi lämmönjohtavuus..
Hiilimatriisiyhdisteet
Hiili on houkutteleva matriisi lämmönjohtavuusyhdisteille johtuen sen lämmönjohtavuudesta (vaikka se ei ole yhtä suuri kuin metallien) ja alhainen CTE (alhaisempi kuin metallien)..
Lisäksi hiili on kestävä korroosiolle (kestävämpi kuin metallit) ja sen pieni paino.
Hiilimatriisin toinen etu on sen yhteensopivuus hiilikuitujen kanssa, toisin kuin metallimatriisin ja sen varausten yhteinen reaktiivisuus.
Siksi hiilikuidut ovat tärkein täyteaine hiilimatriisikomposiiteille.
Hiili ja grafiitti
Täysin hiilimateriaalilla, joka on valmistettu yhdistämällä hiilidioksidia edeltäviä hiilihappoja, jotka on orientoitu ilman sideainetta ja sen jälkeistä hiilihapotusta ja valinnaisia grafiittejä, on lämmönjohtavuus, joka on 390 - 750 W / mK materiaalin Fiberissa.
Toinen materiaali on pyrolyyttinen grafiitti (nimeltään TPG), joka on päällystetty rakenteelliseksi kuoreksi. Grafiitilla (joka on hyvin kuvioitu jyvien c-akseleilla, jotka ovat edullisesti kohtisuorassa grafiitin tasoon nähden) on lämmönjohtavuus 1700 W / m K-tasossa (neljä kertaa suurempi kuin kupari), mutta on mekaanisesti heikko johtuen taipumuksesta leikataan grafiittitasossa.
Keraamiset matriisiyhdisteet
Boorisilikaattilasin matriisi on houkutteleva johtuen sen alhaisesta dielektrisyysvakiosta (4,1) verrattuna AlN: n (8,9), alumiinioksidin (9.4), BeO: n (6.8), kuutio boorinitridiin, kanssa. (7.1), timantti (5.6) ja lasin keraaminen (5.0).
Dielektrisen vakion alhainen arvo on toivottavaa elektronisissa pakkaussovelluksissa. Toisaalta lasilla on alhainen lämmönjohtavuus.
SiC-matriisi on houkutteleva sen korkean CTE: n vuoksi verrattuna hiilimatriisiin, vaikka se ei ole yhtä lämpöä johtava kuin hiili.
Hiili + hiiliyhdisteiden CTE on liian alhainen, mikä johtaa alentuneeseen väsymisikään siru-aluksella (COB) -sovelluksissa piidioksidisiruilla.
SiC-matriisikomposiitti koostuu hiili-hiili-yhdisteestä, joka muuntaa hiilimatriisin SiC: ksi (Chung, 2001).
viittaukset
- Chung, D. (2001). Materiaalit lämmönjohtokykyyn. Sovellettu lämpötekniikka 21 , 1593 ± 1605.
- CK-12 Säätiö. (S.F.). Lämpöjohtimet ja eristimet. Haettu osoitteesta ck12.org: ck12.org.
- SantoPietro, D. (S.F.). Mikä on lämmönjohtavuus? Haettu osoitteesta khanacademy: khanacademy.org.
- Engineering ToolBox. (S.F.). Yleisten materiaalien ja kaasujen lämpöjohtavuus. Haettu osoitteesta engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.