Materials d'alta conductivitat tèrmica

Introducció

Els materials d'alta conductivitat tèrmica són molt importants en el món de l'enginyeria actual. Els veieu a tot arreu-dins d'electrònica, cotxes, sistemes energètics i tot tipus de màquines industrials. Bàsicament, la conductivitat tèrmica és com de bé un material mou la calor d'un punt a un altre, normalment mesurada en watts per metre-kelvin (W/m·K).

Si un material transfereix calor ràpidament, ajuda a mantenir les coses fresques i funcionant sense problemes. És per això que el coure i l'alumini són tan populars; fan una gran feina i no trenquen el banc. Però quan necessiteu avançar encara més el rendiment, hi ha opcions avançades com el diamant i el grafit.

El diamant, per exemple, expulsa la majoria de metalls fora de l'aigua amb una conductivitat tèrmica entre 1000 i 2200 W/m·K. Per tant, saber quins materials fan el que fa que sigui molt més fàcil triar l'adequat per als dissipadors de calor i altres sistemes de refrigeració.

Dissipadors de calor d'alumini

Classificació de materials d'alta conductivitat tèrmica
 

Quan es tracta de materials que mouen bé la calor, tens quatre grups principals: metalls, ceràmiques, materials basats en carboni-i compostos. Els metalls són el ideal-per a la majoria de les indústries, ja que no només són excel·lents per conduir la calor-també són bastant fàcils de modelar i treballar. La plata i el coure estan al capdavant de la llista, amb la plata a uns 429 W/m·K i el coure a prop de 401. L'alumini tampoc està lluny, amb 237. Ceràmiques com el nitrur d'alumini i el carbur de silici de doble funció-manegen bé la calor i aïllen de l'electricitat, cosa que les fa perfectes per a l'electrònica.

Ara, els materials basats en carboni-són una mena de classe pròpia. Penseu en el grafit i el diamant. El grafit pot arribar a uns 150 W/m·K, però el diamant deixa tota la resta a la pols amb el seu rendiment. A continuació, teniu materials compostos, com ara el coure-diamant o l'alumini-grafit. Aquestes mescles són cada cop més populars perquè permeten als enginyers ajustar les qualitats tèrmiques i mecàniques per adaptar-se al que necessiten. Al final, es tracta d'escollir el material adequat per a la feina-equilibrant coses com ara el cost, el pes, la conductivitat i el fàcil que és fer la peça.

Propietats clau i factors de rendiment
 

Els materials d'alta conductivitat tèrmica no només depenen dels seus números de conductivitat. Hi ha tota una barreja de factors en joc-difusivitat tèrmica, densitat, calor específica i fins i tot quant s'expandeix el material amb la calor, tot això en situacions-de la vida real. Els metalls mouen la calor principalment amb els seus electrons lliures, mentre que els no-metalls com el diamant utilitzen vibracions a la seva xarxa, conegudes com a fonons. És per això que el diamant pot ser un aïllant elèctric, però encara té una conductivitat tèrmica increïblement alta.

Una altra cosa a tenir en compte: alguns materials són anisòtrops. Prengui el grafit, per exemple-la seva conductivitat tèrmica canvia en funció de la direcció que mesureu. Després hi ha l'acabat superficial, la puresa i la temperatura; tot això pot canviar el rendiment. Si introduïu impureses o defectes, veureu una caiguda de conductivitat gairebé immediatament.

Els enginyers també observen com juguen els materials. Si es tracta de sistemes que s'escalfen i es refreden molt, les diferències en l'expansió tèrmica poden provocar estrès mecànic-o fins i tot fer que les coses fallin. Per tant, és realment un acte d'equilibri, no només un joc de números.

Dissipadors de calor de coure

Aplicacions a les indústries modernes
 

Els materials d'alta conductivitat tèrmica tenen un paper important en tot tipus d'indústries. Prengui l'electrònica, per exemple-dissipadors de calor, coixinets tèrmics i sistemes de refrigeració per a CPU i GPU, tots depenen d'aquests materials perquè les coses funcionin sense problemes. El coure i l'alumini són a tot arreu aquí. Són barats, fàcils de treballar i fan la feina.

Quan ens fixem en les energies renovables, com els inversors solars o l'emmagatzematge de bateries, allunyar la calor ràpidament és clau. Si no ho fas, el rendiment baixa i les peces s'esgoten més ràpidament. En cotxes i avions, és un acte d'equilibri diferent. Voleu materials que condueixin molt bé la calor, però també voleu que siguin lleugers, de manera que triomfen els aliatges d'alumini i els compostos de luxe.

Aleshores, tens els semiconductors d'alta-tecnologia-i sistemes làser-on només els millors ho faran. Aquí és on entren el diamant i el nitrur d'alumini. Aquests materials suporten la calor extrema sense suar i es mantenen estables fins i tot quan les coses es tornen intenses.

Amb els dispositius cada any més petits i potents, sempre hi ha una empenta per a materials tèrmics encara millors. Això està impulsant alguns avenços interessants, com ara nous compostos i nanomaterials que gestionen la calor com res abans.

Tendències futures i innovacions materials
 

La propera generació de materials d'alta conductivitat tèrmica està sent modelada per compostos avançats i avenços en nanotecnologia. Els científics s'estan concentrant en materials com el grafè, els nanotubs de carboni i l'arsenur de bor-tots aquests superen els límits quan es tracta de moure la calor, especialment a escala nanomètrica. Prenguem els nanotubs de carboni, per exemple. A la configuració del laboratori, han mostrat-els gràfics-conductivitat tèrmica, de vegades superior a 6000 W/m·K.

Però no es tracta només de materials individuals. La gent està barrejant metalls amb ceràmica o teixint en estructures basades en carboni-per crear híbrids que equilibrin la força i la gestió de la calor. Les noves tècniques de fabricació, com la fabricació additiva, permeten als enginyers dissenyar dissipadors de calor amb formes que abans no eren possibles, amb una eficiència encara més gran.

L'electrònica és cada cop més petita i potent, de manera que aquesta carrera per una gestió tèrmica més intel·ligent no s'està alentint. Aquestes millores no només són interessants sobre el paper-estan canviant el joc dels vehicles elèctrics, els centres de dades super-eficients i la informàtica d'alt-rendiment. Si voleu saber cap a on es dirigeix ​​el futur, probablement està funcionant més fred que mai.

Taula resum

PowerWinxés un fabricant professional especialitzat en solucions avançades de gestió tèrmica, que inclouen dissipadors de calor d'alumini i coure, dissipadors de calor d'aletes inclinades i plaques fredes líquides. Amb una gran experiència en tecnologies de fosa a pressió, mecanitzat CNC i soldadura forta, PowerWinx ofereix solucions de refrigeració rendibles i d'alt rendiment--, adaptades a indústries com ara l'electrònica, les energies renovables i les aplicacions d'automoció.

ISO 9001 / IATF 16949