7 pagrindiniai šilumos laidininkai

Pagrindiniai šilumos laidininkai yra metalai ir deimantai, sudaryti iš metalo matricos, susidedantys iš anglies matricos, anglies, grafito ir keraminių kompozicijų.

Šilumos laidumas yra materiali nuosavybė, apibūdinanti gebėjimą atlikti šilumą ir gali būti apibrėžiama taip: „Per šilumos kiekį, perduodamą per medžiagos vieneto storį, - į normalią kryptį iki vieneto ploto ploto - dėl to, kad vieneto temperatūros gradientas pastovios būsenos sąlygomis »(inžinerijos įrankių juosta, SF).

Kitaip tariant, šilumos laidumas yra šiluminės energijos perdavimas tarp dalelių, kurios liečiasi. Šilumos laidumas atsiranda, kai karštesnės medžiagos dalelės susiduria su šaltesnėmis medžiagomis ir perduoda dalį jų šiluminės energijos šaltesnėms dalelėms.

Vairavimas paprastai būna greitesnis tam tikrose kietose medžiagose ir skysčiuose nei dujų. Medžiagos, kurios yra geros šiluminės energijos laidininkai, vadinamos šilumos laidais.

Metalai yra ypač geri šilumos laidininkai, nes jie turi elektronų, kurie laisvai judina ir gali greitai ir lengvai perduoti šilumos energiją (CK-12 Foundation, SF).

Apskritai, geri elektros laidininkai (metalai, pvz., Varis, aliuminis, auksas ir sidabras) taip pat yra geri šilumos laidininkai, o elektros izoliatoriai (mediena, plastikas ir guma) yra prastos šilumos laidininkai.

Šiltojo kūno molekulės kinetinė energija (vidutinė) yra didesnė nei šalčiausias kūnas. Jei susiduria dvi molekulės, atsiranda energijos pernešimas iš karšto į šaltą molekulę.

Bendras visų susidūrimų poveikis lemia šilumos srautą iš šilto kūno į šaltiausią kūną (SantoPietro, SF).

Aukštos šilumos laidumo medžiagos

Šilumos laidumui reikalingos aukštos šilumos laidumo medžiagos, kad būtų galima šildyti arba atvėsinti. Vienas iš svarbiausių poreikių yra elektronikos pramonė.

Dėl miniatiūrizacijos ir padidėjusios mikroelektronikos galios šilumos išskyrimas yra labai svarbus mikroelektronikos patikimumui, veikimui ir miniatiūriškumui.

Šilumos laidumas priklauso nuo daugelio medžiagos savybių, ypač jo struktūros ir temperatūros.

Šiluminio plėtimosi koeficientas yra ypač svarbus, nes jis rodo medžiagos gebėjimą plėstis šiluma.

Metalai ir deimantai

Varis yra dažniausiai naudojamas metalas, kai reikalingos aukštos šilumos laidumo medžiagos.

Tačiau varis prisiima aukštą šiluminio plėtimosi koeficiento koeficientą (CTE). Invaro lydinys (64% Fe ± 36% Ni) yra išskirtinai žemas CET tarp metalų, bet labai mažas šilumos laidumas.

Deimantas yra patrauklesnis, nes jis turi labai didelį šilumos laidumą ir žemą CET, tačiau jis yra brangus (šiluminis laidumas, SF).

Aliuminis nėra toks pat laidus kaip varis, tačiau jis turi mažą tankį, kuris yra patrauklus orlaivių elektronikos ir taikomosioms programoms (pvz., Nešiojamiesiems kompiuteriams), kuriems reikalingas mažas svoris.

Metalai yra šilumos ir elektros laidininkai. Jei naudojate šilumos laidumą ir elektrinę izoliaciją, gali būti naudojami atitinkami deimantai ir keraminės medžiagos, tačiau gali būti naudojami nemetalai.

Metalo matricos junginiai

Vienas iš būdų sumažinti metalo CTE yra sudaryti metalo matricos kompozitą, naudojant mažą CTE užpildą.

Šiuo tikslu naudojamos keraminės dalelės, pvz., AlN ir silicio karbidas (SiC), nes joms būdingas didelis šilumos laidumas ir mažas CTE.

Kadangi užpildas paprastai turi mažesnį CTE ir mažesnį šilumos laidumą nei metalo matrica, tuo didesnė įkrovos tūrio dalis kompozicijoje, tuo mažesnis CTE ir mažesnis šilumos laidumas.

Anglies matricos junginiai

Anglis yra patraukli šilumos laidumo junginių matrica dėl savo šilumos laidumo (nors ir ne tiek, kiek metalo) ir mažo CTE (mažesnis nei metalų).

Be to, anglis yra atspari korozijai (atsparesnė korozijai nei metalai) ir mažas jų svoris.

Kitas anglies matricos privalumas yra jo suderinamumas su anglies pluoštais, priešingai nei bendras metalo matricos ir jos įkrovos reaktyvumas.

Todėl anglies pluoštas yra dominuojantis anglies matricos kompozitų užpildas.

Anglis ir grafitas

Visiškai anglies medžiaga, pagaminta konsoliduojant anglies pirmtakus, orientuotus be rišiklio ir vėlesnės karbonizacijos bei pasirinktinio grafito, turi šilumos laidumą nuo 390 iki 750 W / mK medžiagos pluošte.

Kita medžiaga yra pirolizinis grafitas (vadinamas TPG), padengtas struktūriniu korpusu. Grafitas (labai tekstūruotas su grūdų, esančių statmenai grafito plokštumai, c-ašimis), šiluminis laidumas 1700 W / m K plokštumoje (keturis kartus didesnis už vario), tačiau yra mechaniškai silpnas dėl polinkio į supjaustyti grafito plokštumoje.

Keraminiai matriciniai junginiai

Borosilikatinio stiklo matrica yra patraukli dėl mažo dielektrinės konstanta (4, 1), lyginant su AlN (8.9), aliuminio oksido (9.4), BeO (6.8), SiC (42), kubinio boro nitridu. (7.1), deimantų (5.6) ir stiklo ± keramikos (5.0).

Maža dielektrinės konstantos vertė pageidautina elektroninėms pakuotėms. Kita vertus, stiklas turi mažą šilumos laidumą.

SiC matrica yra patraukli dėl savo aukšto CTE, palyginti su anglies matrica, nors ji nėra tokia šiluma, kaip anglis.

Anglies ir anglies junginių CTE yra per mažas, dėl to sumažėja nuovargio trukmė lustų laive (COB), naudojant silicio skaidulą.

SiC matricos anglies kompozitą sudaro anglies ir anglies junginys, konvertuojantis anglies matricą į SiC (Chung, 2001).