Cele 7 conductoare principale de încălzire
Conductorii principali de căldură sunt metalele și diamantele, compuse din matrice metalică, compuse din compozite cu matrice de carbon, carbon, grafit și matrice ceramică.
Conductivitatea termică este o proprietate materială care descrie capacitatea de a conduce căldură și poate fi definită ca: "Cantitatea de căldură transmisă printr-o grosime a unității unui material - într-o direcție normală la o suprafață a zonei unității - datorită un gradient al temperaturii unitare în condiții staționare »(The Engineering ToolBox, SF).
Cu alte cuvinte, conducerea termică este transferul energiei termice între particulele de materie care ating. Conducta termică apare atunci când particulele de material fierbinte se ciocnesc cu particulele de materie rece și transferă o parte din energia lor termică în particule mai reci.
Conducerea este, de obicei, mai rapidă în anumite solide și lichide decât în gaze. Materialele care sunt bune conductori ai energiei termice sunt numite conductori termici.
Metalele sunt conductori termici deosebit de buni deoarece au electroni care se mișcă liber și pot transfera rapid și ușor energia termică (CK-12 Foundation, SF).
În general, conductorii buni ai electricității (metale cum ar fi cuprul, aluminiu, aurul și argintul) sunt, de asemenea, conductori buni ai căldurii, în timp ce izolatorii de electricitate (lemn, plastic și cauciuc) sunt conducători slabi ai căldurii.
Energia cinetică (medie) a unei molecule în corpul cald este mai mare decât în cel mai rece corp. Dacă două molecule se ciocnesc, apare un transfer de energie de la molecula fierbinte la cea rece.
Efectul cumulat al tuturor coliziunilor are ca rezultat un flux net de căldură de la corpul cald la cel mai rece corp (SantoPietro, SF).
Materiale de conductivitate termică ridicată
Sunt necesare materiale de conductivitate termică ridicată pentru conducerea căldurii pentru încălzire sau răcire. Una dintre cele mai importante nevoi este industria electronică.
Datorită miniaturizării și a creșterii puterii microelectronicii, disiparea căldurii este esențială pentru fiabilitatea, performanța și miniaturizarea microelectronicii.
Conductivitatea termică depinde de multe proprietăți ale unui material, în special structura și temperatura acestuia.
Coeficientul de dilatare termică este deosebit de important, deoarece indică capacitatea unui material de a se extinde cu căldură.
Metale și diamante
Cuprul este metalul cel mai frecvent utilizat atunci când sunt necesare materiale de conductivitate termică ridicată.
Cu toate acestea, cuprul are un coeficient ridicat de coeficient de dilatare termică (CTE). Aliajul Invar (64% Fe ± 36% Ni) este extrem de scăzut în CET între metale, dar este foarte slab în conductivitatea termică.
Diamantul este mai atractiv, deoarece are o conductivitate termică foarte ridicată și un CET scăzut, dar este scump (Conductivitate termică, SF).
Aluminiu nu este la fel de conductiv ca cuprul, dar are o densitate scăzută, atractivă pentru electronica aeronautică și aplicații (de exemplu, laptopuri) care necesită o greutate redusă.
Metalele sunt conductoare termice și electrice. Pentru aplicațiile care necesită conductivitate termică și izolație electrică, pot fi utilizate diamante și materiale ceramice adecvate, dar pot fi utilizate și nemetale.
Compuși cu matrice metalică
O modalitate de a reduce CTE-ul unui metal este de a forma un compozit cu matrice metalică utilizând o umplutură CTE scăzută.
În acest scop, se utilizează particule ceramice, cum ar fi AlN și carbură de siliciu (SiC), datorită combinației lor de conductivitate termică ridicată și CTE scăzut.
Deoarece umplerea are de obicei un CTE inferior și o conductivitate termică mai mică decât matricea metalică, cu cât este mai mare fracția volumică de încărcare din compozit, cu atât este mai scăzută CTE și conductivitatea termică este mai mică.
Compuși cu matrice de carbon
Carbonul este o matrice atrăgătoare pentru compușii conductivi termici datorită conductivității sale termice (deși nu la fel de mare ca cea a metalelor) și CTE scăzute (mai mică decât cea a metalelor).
În plus, carbonul este rezistent la coroziune (mai rezistent la coroziune decât metalele) și la greutatea sa redusă.
Un alt avantaj al matricei de carbon este compatibilitatea cu fibrele de carbon, spre deosebire de reactivitatea comună între o matrice metalică și încărcăturile sale.
Prin urmare, fibrele de carbon sunt substanța de umplere dominantă pentru compozitele cu matrice de carbon.
Carbon și grafit
Un material complet carbon produs de consolidarea carbonelor precursoare de carbon orientate fără liant și carbonizarea ulterioară și grafitizarea opțională are o conductivitate termică cuprinsă între 390 și 750 W / mK în fibra materialului.
Un alt material este grafitul pirolitic (denumit TPG), învelit într-o carcasă structurală. Grafitul (foarte texturat cu c-axele granulelor, de preferință perpendicular pe planul grafului) are o conductivitate termică în planul de 1700 W / m K (de patru ori mai mare decât cea a cuprului), dar este mecanic slab datorită tendinței de a tăiați în planul de grafit.
Compuși cu matrice ceramică
Matricea de sticlă borosilicată este atractivă datorită constantei sale dielectrice scăzute (4.1) comparativ cu cea a lui AlN (8.9), a aluminei (9.4), a SiC (42), a BeO (6.8), a niturii de bor cubice (7.1), diamant (5.6) și sticlă - ceramică (5.0).
O valoare mică a constantei dielectrice este de dorit pentru aplicațiile electronice de ambalare. Pe de altă parte, sticla are o conductivitate termică scăzută.
Matricea de SiC este atractivă datorită CTE ridicat în comparație cu matricea de carbon, deși nu este la fel de conductiv termic ca carbonul.
CTE a compușilor de carbon + carbon este prea scăzută, ceea ce duce la o reducere a duratei de viață a oboselii în aplicațiile chip-on-board (COB) cu cipuri de silice.
Compozitul de carbon din matricea SiC este compus dintr-un compus carbon-carbon care transformă matricea de carbon în SiC (Chung, 2001).
