7-те главни топлопроводника

Основните топлопроводители са метали и диаманти, съставени от метална матрица, съставена от въглеродни матрици, въглеродни, графитни и керамични композитни матрици.

Топлинната проводимост е материално свойство, което описва способността за провеждане на топлина и може да бъде определено като: "Количеството топлина, предавана чрез единична дебелина на материала - в нормална посока към повърхност на единица площ - поради единичен температурен градиент при стационарни условия »(Инструментален инструмент, SF).

С други думи, термичната проводимост е прехвърлянето на топлинна енергия между частиците на материята, които се докосват. Термичната проводимост се случва, когато частици от по-гореща материя се сблъскат с по-студени частици на материята и прехвърлят част от тяхната топлинна енергия в по-студени частици.

Шофирането обикновено е по-бързо в някои твърди вещества и течности, отколкото в газове. Материалите, които са добри проводници на топлинна енергия, се наричат ​​термични проводници.

Металите са особено добри термични проводници, защото имат електрони, които се движат свободно и могат бързо и лесно да прехвърлят топлинна енергия (CK-12 Foundation, SF).

Като цяло, добри проводници на електроенергия (метали като мед, алуминий, злато и сребро) също са добри проводници на топлина, докато електрическите изолатори (дърво, пластмаса и гума) са лоши проводници на топлина.

Кинетичната енергия (средна) на молекулата в топлото тяло е по-висока, отколкото в най-студеното тяло. Ако две молекули се сблъскат, се получава трансфер на енергия от горещата към студената молекула.

Кумулативният ефект от всички сблъсъци води до нетен поток на топлина от топлото тяло до най-студеното тяло (SantoPietro, SF).

Материали с висока топлопроводимост

За топлопроводимост са необходими материали с висока топлопроводимост, за да се загрява или охлажда. Една от най-критичните нужди е електронната индустрия.

Благодарение на миниатюризацията и увеличената мощ на микроелектрониката, разсейването на топлината е ключът към надеждността, производителността и миниатюризацията на микроелектрониката.

Топлинната проводимост зависи от много свойства на материала, особено неговата структура и температура.

Коефициентът на топлинно разширение е особено важен, тъй като той показва способността на материала да се разширява с топлина.

Метали и диаманти

Медът е най-често използваният метал, когато се изискват материали с висока топлопроводимост.

Въпреки това, медът приема висок коефициент на коефициент на топлинно разширение (CTE). Invar сплав (64% Fe ± 36% Ni) е изключително ниска в CET между металите, но е много лоша по отношение на топлопроводимостта.

Диамантът е по-атрактивен, тъй като има много висока топлопроводимост и ниска СЕЦ, но е скъп (термична проводимост, SF).

Алуминият не е толкова проводим като медта, но има ниска плътност, която е привлекателна за електрониката на самолетите и приложенията (например лаптопи), които изискват ниско тегло.

Металите са топлинни и електрически проводници. За приложения, които изискват топлопроводимост и електрическа изолация, могат да се използват подходящи диаманти и керамични материали, но могат да се използват и неметали.

Съединения с метална матрица

Един от начините за намаляване на КТР на метала е да се образува композит от метална матрица, използвайки пълнител с ниска КТЕ.

За тази цел се използват керамични частици като AlN и силициев карбид (SiC), поради тяхната комбинация от висока топлопроводимост и ниска КТР.

Тъй като пълненето обикновено има по-ниска КТР и по-ниска топлопроводимост от металната матрица, колкото по-голяма е обемната част на заряда в композита, толкова по-ниска е КТР и по-ниската топлопроводимост.

Въглеродни матрични съединения

Въглеродът е атрактивна матрица за съединения на топлопроводимост поради неговата топлинна проводимост (макар и не толкова висока като тази на металите) и ниска КТР (по-ниска от тази на металите).

Освен това въглеродът е устойчив на корозия (по-устойчив на корозия от метали) и неговото ниско тегло.

Друго предимство на въглеродната матрица е неговата съвместимост с въглеродни влакна, за разлика от общата реактивност между метална матрица и нейните заряди.

Следователно, въглеродните влакна са доминиращият пълнител за композитите с въглеродна матрица.

Въглерод и графит

Изцяло въглероден материал, произведен чрез уплътняване на въглеродни прекурсори, ориентирани без свързващо вещество и последваща карбонизация и по желание графитизация, има топлопроводимост от 390 до 750 W / mK в влакното на материала.

Друг материал е пиролитичен графит (наречен TPG), обвит в структурна обвивка. Графитът (много текстуриран с c-осите на зърната, за предпочитане перпендикулярни на равнината на графита), има топлинна проводимост в 1700 W / m K равнина (четири пъти по-голяма от тази на мед), но е механично слаба поради тенденцията към нарязани в графитна равнина.

Керамични матрични съединения

Матрицата от боросиликатно стъкло е привлекателна поради ниската си диелектрична константа (4.1) в сравнение с тази на AlN (8.9), на алуминиев оксид (9.4), на SiC (42), на BeO (6.8), на кубичен бор нитрид (7.1), диамант (5.6) и стъклокерамика (5.0).

Ниска стойност на диелектричната константа е желателна за приложенията за електронни опаковки. От друга страна, стъклото има ниска топлопроводимост.

SiC матрицата е привлекателна поради високия си CTE в сравнение с въглеродната матрица, въпреки че не е толкова топлопроводима като въглерода.

КТР на въглерод + въглеродните съединения е твърде ниска, което води до намален живот на умора в приложенията с чип на борда (COB) със силициеви чипове.

SiC матричният въглероден композит е съставен от въглерод-въглероден компонент, преобразуващ въглеродната матрица в SiC (Chung, 2001).