7 głównych przewodników ciepła
Głównymi przewodnikami ciepła są metale i diamenty, złożone z metalowej osnowy, składającej się z osnowy węglowej, węgla, grafitu i osnowy ceramicznej.
Przewodność cieplna jest właściwością materiału, która opisuje zdolność do przewodzenia ciepła i może być zdefiniowana jako: „Ilość ciepła przekazywanego przez jednostkową grubość materiału - w normalnym kierunku do powierzchni jednostkowej powierzchni - z powodu gradient temperatury jednostki w warunkach stanu ustalonego »(The Engineering ToolBox, SF).
Innymi słowy, przewodnictwo cieplne to transfer energii cieplnej między cząstkami materii, które dotykają. Przewodnictwo cieplne występuje, gdy cząstki cieplejszej materii zderzają się z cząstkami zimniejszej materii i przenoszą część swojej energii cieplnej na zimniejsze cząstki.
Jazda jest zwykle szybsza w niektórych ciałach stałych i cieczach niż w gazach. Materiały, które są dobrymi przewodnikami energii cieplnej, nazywane są przewodnikami termicznymi.
Metale są szczególnie dobrymi przewodnikami termicznymi, ponieważ mają elektrony, które poruszają się swobodnie i mogą szybko i łatwo przenosić energię cieplną (CK-12 Foundation, SF).
Ogólnie rzecz biorąc, dobre przewodniki prądu (metale takie jak miedź, aluminium, złoto i srebro) są również dobrymi przewodnikami ciepła, podczas gdy izolatory elektryczne (drewno, plastik i guma) są słabymi przewodnikami ciepła.
Energia kinetyczna (średnia) cząsteczki w ciepłym ciele jest wyższa niż w najzimniejszym ciele. Jeśli zderzają się dwie cząsteczki, następuje transfer energii z gorącej do zimnej cząsteczki.
Skumulowany efekt wszystkich zderzeń powoduje przepływ ciepła netto z ciepłego ciała do najzimniejszego ciała (SantoPietro, SF).
Materiały o wysokiej przewodności cieplnej
Do przewodzenia ciepła potrzebne są materiały o wysokiej przewodności cieplnej w celu ogrzewania lub chłodzenia. Jedną z najbardziej krytycznych potrzeb jest przemysł elektroniczny.
Ze względu na miniaturyzację i zwiększoną moc mikroelektroniki, rozpraszanie ciepła jest kluczem do niezawodności, wydajności i miniaturyzacji mikroelektroniki.
Przewodność cieplna zależy od wielu właściwości materiału, zwłaszcza jego struktury i temperatury.
Współczynnik rozszerzalności cieplnej jest szczególnie ważny, ponieważ wskazuje zdolność materiału do rozszerzania się pod wpływem ciepła.
Metale i diamenty
Miedź jest najczęściej używanym metalem, gdy wymagane są materiały o wysokiej przewodności cieplnej.
Jednak miedź przyjmuje wysoki współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE). Stop Invar (64% Fe ± 36% Ni) jest wyjątkowo niski w CET między metalami, ale ma bardzo słabą przewodność cieplną.
Diament jest bardziej atrakcyjny, ponieważ ma bardzo wysoką przewodność cieplną i niski CET, ale jest drogi (przewodność cieplna, SF).
Aluminium nie jest tak przewodzące jak miedź, ale ma niską gęstość, co jest atrakcyjne dla elektroniki i zastosowań lotniczych (na przykład laptopów), które wymagają małej masy.
Metale to przewodniki termiczne i elektryczne. W przypadku zastosowań wymagających przewodności cieplnej i izolacji elektrycznej można stosować odpowiednie diamenty i materiały ceramiczne, ale można stosować niemetale.
Związki osnowy metalicznej
Jednym ze sposobów zmniejszenia CTE metalu jest utworzenie kompozytu z metalową osnową przy użyciu wypełniacza o niskim CTE.
W tym celu stosuje się cząstki ceramiczne, takie jak AlN i węglik krzemu (SiC), ze względu na ich połączenie wysokiej przewodności cieplnej i niskiego CTE.
Ponieważ wypełnienie ma zwykle niższy CTE i niższą przewodność cieplną niż metalowa osnowa, im większy udział objętościowy ładunku w kompozycie, tym niższy CTE i niższa przewodność cieplna.
Związki matrycy węglowej
Węgiel jest atrakcyjną matrycą dla związków przewodzących ciepło ze względu na jego przewodność cieplną (choć nie tak wysoką jak metali) i niski CTE (niższy niż metali).
Ponadto węgiel jest odporny na korozję (bardziej odporny na korozję niż metale) i jego małą wagę.
Inną zaletą matrycy węglowej jest jej kompatybilność z włóknami węglowymi, w przeciwieństwie do zwykłej reaktywności między osnową metaliczną a jej ładunkami.
Dlatego włókna węglowe są dominującym wypełniaczem dla kompozytów z matrycą węglową.
Węgiel i grafit
W pełni węglowy materiał wytwarzany przez konsolidację węgli prekursorowych węgla zorientowanych bez spoiwa, a następnie karbonizację i opcjonalną grafityzację, ma przewodność cieplną w zakresie od 390 do 750 W / mK we włóknie materiału.
Innym materiałem jest grafit pirolityczny (zwany TPG) zamknięty w skorupie strukturalnej. Grafit (bardzo teksturowany z osiami c ziaren korzystnie prostopadłymi do płaszczyzny grafitu), ma przewodność cieplną na płaszczyźnie 1700 W / m K (czterokrotnie większą niż miedź), ale jest mechanicznie słaby ze względu na tendencję do przeciąć w płaszczyźnie grafitu.
Ceramiczne związki matrycowe
Matryca ze szkła borokrzemianowego jest atrakcyjna ze względu na niską stałą dielektryczną (4, 1) w porównaniu z matrycą AlN (8, 9), tlenku glinu (9, 4), SiC (42), BeO (6, 8), sześciennego azotku boru (7.1), diament (5.6) i szkło-ceramika (5.0).
Niska wartość stałej dielektrycznej jest pożądana dla zastosowań w elektronicznym pakowaniu. Z drugiej strony szkło ma niską przewodność cieplną.
Matryca SiC jest atrakcyjna ze względu na wysoki CTE w porównaniu z matrycą węglową, chociaż nie jest tak przewodząca termicznie jak węgiel.
Współczynnik CTE związków węgla + węgla jest zbyt niski, co skutkuje zmniejszoną trwałością zmęczeniową w zastosowaniach chip-on-board (COB) z wiórami krzemionkowymi.
Kompozyt węglowy z matrycą SiC składa się ze związku węgiel-węgiel przekształcającego matrycę węglową w SiC (Chung, 2001).
