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Die 7 Hauptwärmeleiter
Die Heizleiter Die wichtigsten sind Metalle und Diamanten, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, Kohlenstoffmatrix-Verbundwerkstoffe, Kohlenstoff-, Graphit- und Keramikmatrix-Verbundwerkstoffe.
Wärmeleitfähigkeit ist eine Materialeigenschaft, die die Fähigkeit beschreibt, Wärme zu leiten und kann definiert werden als: "Die Wärmemenge, die durch eine Einheitsdicke eines Materials - in einer normalen Richtung zu einer Flächeneinheitsfläche - übertragen wird ein Einheitstemperaturgradient unter stationären Bedingungen "(The Engineering ToolBox, SF).
Mit anderen Worten, Wärmeleitung ist die Übertragung von Wärmeenergie zwischen Materieteilchen, die sich berühren. Wärmeleitung tritt auf, wenn Teilchen von heißer Materie mit Teilchen kälterer Materie kollidieren und einen Teil ihrer thermischen Energie in kältere Teilchen übertragen.
Bei bestimmten Feststoffen und Flüssigkeiten ist das Fahren in der Regel schneller als bei Gasen. Die Materialien, die gute Wärmeleiter sind, heißen Wärmeleiter.
Metalle sind besonders gute Wärmeleiter, da sie Elektronen haben, die sich frei bewegen und Wärmeenergie schnell und einfach übertragen können (CK-12 Foundation, S.F.).
Im Allgemeinen sind gute Stromleiter (Metalle wie Kupfer, Aluminium, Gold und Silber) auch gute Wärmeleiter, während Isolatoren von Elektrizität (Holz, Kunststoff und Gummi) schlechte Wärmeleiter sind.
Die kinetische Energie (Durchschnitt) eines Moleküls im heißen Körper ist höher als im kältesten Körper. Wenn zwei Moleküle kollidieren, erfolgt ein Energietransfer vom heißen Molekül zur Kälte.
Die kumulative Wirkung aller Kollisionen führt zu einem Netto-Wärmefluss vom warmen Körper zum kältesten Körper (SantoPietro, S.F.).
Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit
Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit werden zur Wärmeleitung benötigt, um zu heizen oder zu kühlen. Einer der kritischsten Bedürfnisse ist die Elektronikindustrie.
Aufgrund der Miniaturisierung und der gesteigerten Leistungsfähigkeit der Mikroelektronik ist die Wärmeableitung ein Schlüssel für die Zuverlässigkeit, Leistung und Miniaturisierung der Mikroelektronik.
Die Wärmeleitfähigkeit hängt von vielen Eigenschaften eines Materials ab, insbesondere von seiner Struktur und Temperatur.
Der Wärmeausdehnungskoeffizient ist besonders wichtig, da er die Fähigkeit eines Materials anzeigt, sich mit Wärme auszudehnen.
Metalle und Diamanten
Kupfer ist das am häufigsten verwendete Metall, wenn Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit benötigt werden.
Kupfer nimmt jedoch einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CET) an. Die Invar-Legierung (64% Fe ± 36% Ni) weist einen außergewöhnlich niedrigen CET-Wert zwischen Metallen auf, weist jedoch eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit auf.
Der Diamant ist attraktiver, da er eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und eine niedrige CET aufweist, aber er ist teuer (Wärmeleitfähigkeit, S.F.).
Aluminium ist nicht so leitfähig wie Kupfer, hat aber eine geringe Dichte, was für Flugzeugelektronik und Anwendungen (z. B. Laptops), die ein geringes Gewicht erfordern, attraktiv ist.
Metalle sind thermische und elektrische Leiter. Für Anwendungen, die Wärmeleitfähigkeit und elektrische Isolierung erfordern, können geeignete Diamanten und keramische Materialien verwendet werden, jedoch können auch Nichtmetalle verwendet werden.
Metallmatrix-Verbindungen
Ein Weg, den CTE eines Metalls zu reduzieren, besteht darin, einen Metallmatrix-Verbundstoff unter Verwendung eines Füllstoffs mit niedrigem CTE zu bilden.
Zu diesem Zweck werden keramische Partikel wie AlN und Siliciumcarbid (SiC) aufgrund ihrer Kombination aus hoher Wärmeleitfähigkeit und niedrigem CTE verwendet.
Da die Füllung gewöhnlich einen niedrigeren CTE und eine geringere Wärmeleitfähigkeit als die metallische Matrix aufweist, ist der Wärmeausdehnungskoeffizient umso niedriger, je höher der Volumenanteil der Ladung in dem Verbundstoff ist.
Kohlenstoffmatrix-Verbindungen
Kohlenstoff ist eine attraktive Matrix für Wärmeleitverbindungen aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit (obwohl nicht so hoch wie die von Metallen) und niedrigen CTE (niedriger als die von Metallen).
Darüber hinaus ist Kohlenstoff resistent gegen Korrosion (widerstandsfähiger gegen Korrosion als Metalle) und sein geringes Gewicht.
Ein weiterer Vorteil der Kohlenstoffmatrix ist ihre Kompatibilität mit Kohlenstofffasern, im Gegensatz zu der üblichen Reaktivität zwischen einer Metallmatrix und ihren Ladungen.
Daher sind Kohlenstofffasern der dominierende Füllstoff für Kohlenstoffmatrix-Verbundstoffe.
Kohlenstoff und Graphit
Ein Vollkohlenstoffmaterial, das durch die Verfestigung von kohlenstoffvorläuferfreien Kohlenstoffen, die ohne ein Bindemittel orientiert sind, und anschließender Carbonisierung und optionaler Graphitisierung hergestellt wird, hat eine Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 390 bis 750 W / mK in der Faser des Materials.
Ein anderes Material ist pyrolytisches Graphit (TPG genannt), das in einer strukturellen Hülle eingeschlossen ist.Graphite (sehr Texturierung Achse C von vorzugsweise senkrecht zur Ebene der Graphitkörner) eine Wärmeleitfähigkeit in der Ebene von 1700 W / m K (viermal die von Kupfer), ist jedoch mechanisch schwach wegen der Tendenz in die Graphitebene schneiden.
Keramische Matrixverbindungen
Die Matrix aus Borsilikatglas ist attraktiv aufgrund seiner niedrigen Dielektrizitätskonstante (4,1) im Vergleich zu dem von AlN (8,9), Aluminiumoxid (9,4), SiC (42), BeO (6.8) aus kubischem Bornitrid (7.1), Diamant (5.6) und Glas-Keramik (5.0).
Ein niedriger Wert der Dielektrizitätskonstante ist für elektronische Verpackungsanwendungen wünschenswert. Auf der anderen Seite hat Glas eine geringe Wärmeleitfähigkeit.
Die SiC-Matrix ist attraktiv wegen seiner hohen CTE gegenüber der Kohlenstoffmatrix, die aber nicht als thermisch leitfähig wie Kohlenstoff.
Der CTE von Kohlenstoffverbindungen Kohlenstoff ± zu niedrig ist, die Chip-on-Board in Anwendungen in einer reduzierten Lebensdauer von ermüdungs Ergebnissen (COB) mit Siliziumchips.
Die Kohlenstoff-Verbund SiC-Matrix besteht aus einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Verbund Umwandlung Kohlenstoff-Matrix SiC (Chung, 2001).
Referenzen
- Chung, D. (2001). Materialien für die Wärmeleitung. Angewandte Wärmetechnik 21 , 1593±1605.
- CK-12-Stiftung. (S.F.) Wärmeleiter und Isolatoren. Von ck12.org: ck12.org.
- Santo Pietro, D. (S. F.). Was ist Wärmeleitfähigkeit? Von khanacademy: khanacademy.org.
- Die Engineering ToolBox. (S.F.) Wärmeleitfähigkeit von üblichen Materialien und Gasen. Von engineeringtoolbox abgerufen: engineeringtoolbox.com.