مواد رسانایی حرارتی بالا

مقدمه

مواد رسانایی حرارتی بالا در دنیای مهندسی امروز اهمیت زیادی دارند. آنها را همه جا می بینید-در الکترونیک، اتومبیل ها، سیستم های انرژی و انواع ماشین های صنعتی. اساساً، رسانایی حرارتی به میزان خوبی است که یک ماده گرما را از یک نقطه به نقطه دیگر منتقل می‌کند، که معمولاً بر حسب وات بر متر-کلوین (W/m·K) اندازه‌گیری می‌شود.

اگر ماده ای گرما را سریع منتقل کند، به خنک نگه داشتن و روان نگه داشتن آن کمک می کند. به همین دلیل است که مس و آلومینیوم بسیار محبوب هستند. آنها کار بزرگی انجام می دهند و بانک را خراب نمی کنند. اما زمانی که نیاز به افزایش عملکرد دارید، گزینه های پیشرفته ای مانند الماس و گرافیت وجود دارد.

به عنوان مثال، الماس اکثر فلزات را با رسانایی حرارتی بین 1000 تا 2200 W/m·K از آب خارج می کند. بنابراین، دانستن اینکه کدام مواد چه کاری انجام می‌دهند، انتخاب ماده مناسب برای هیت سینک و سایر سیستم‌های خنک‌کننده را بسیار آسان‌تر می‌کند.

سینک های حرارتی آلومینیومی

طبقه بندی مواد با رسانایی حرارتی بالا
 

وقتی صحبت از موادی می‌شود که گرما را به خوبی منتقل می‌کنند، چهار گروه اصلی دارید: فلزات، سرامیک‌ها، مواد مبتنی بر کربن{0}}و کامپوزیت‌ها. فلزات برای اکثر صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا نه تنها در انتقال گرما عالی هستند{3}}همچنین شکل دادن و کار کردن با آنها بسیار آسان است. نقره و مس در بالای لیست قرار دارند، نقره در حدود 429 W/m·K و مس نزدیک به 401 است. آلومینیوم نیز دور از دسترس نیست، در 237. سرامیک هایی مانند نیترید آلومینیوم و کاربید سیلیکون دارای عملکرد مضاعف هستند-آنها به خوبی گرما را کنترل می کنند و آنها را در برابر الکتریسیته عایق می کند.

در حال حاضر، مواد مبتنی بر کربن{0}}نوعی کلاس خودشان هستند. به گرافیت و الماس فکر کنید. گرافیت می تواند حدود 150 W/m·K برسد، اما الماس با عملکرد خود هر چیز دیگری را در غبار باقی می گذارد. سپس کامپوزیت هایی مانند مس-الماس یا آلومینیوم-گرافیت دارید. این ترکیب‌ها محبوب‌تر می‌شوند، زیرا به مهندسان اجازه می‌دهند هر دو کیفیت حرارتی و مکانیکی را متناسب با آنچه که نیاز دارند، تغییر دهند. در پایان، همه چیز در مورد انتخاب مواد مناسب برای کار است-تعادل مواردی مانند هزینه، وزن، رسانایی، و اینکه چقدر ساختن قطعه آسان است.

ویژگی های کلیدی و عوامل عملکرد
 

مواد رسانایی حرارتی بالا فقط به اعداد رسانایی آنها بستگی ندارد. مجموعه ای کامل از عوامل در بازی وجود دارد-انتشار حرارتی، چگالی، گرمای ویژه، و حتی میزان انبساط مواد با گرما، همه در موقعیت‌های{2}}زندگی واقعی اهمیت دارند. فلزات عمدتاً با الکترون‌های آزاد خود گرما را به اطراف منتقل می‌کنند، در حالی که فلزات غیر{4}}مثل الماس از ارتعاشات در شبکه خود استفاده می‌کنند که به عنوان فونون شناخته می‌شوند. به همین دلیل است که الماس می تواند یک عایق الکتریکی باشد اما هنوز رسانایی حرارتی فوق العاده بالایی دارد.

نکته دیگری که باید در نظر داشت: برخی از مواد ناهمسانگرد هستند. برای مثال گرافیت را در نظر بگیرید-رسانایی حرارتی آن بسته به جهتی که اندازه گیری می کنید تغییر می کند. سپس پایان سطح، خلوص و دما وجود دارد. همه اینها می توانند عملکرد را تغییر دهند. اگر ناخالصی ها یا عیوب را وارد کنید، تقریباً بلافاصله شاهد کاهش رسانایی خواهید بود.

مهندسان همچنین به نحوه بازی مواد با هم نگاه می کنند. اگر با سیستم هایی سر و کار دارید که زیاد گرم و سرد می شوند، تفاوت در انبساط حرارتی می تواند باعث استرس مکانیکی شود{1}}یا حتی باعث از کار افتادن کارها شود. بنابراین، این واقعاً یک عمل متعادل کننده است، نه فقط یک بازی اعداد.

سینک های حرارتی مسی

کاربرد در صنایع مدرن
 

مواد رسانایی حرارتی بالا نقش بسیار زیادی در انواع صنایع دارند. به عنوان مثال لوازم الکترونیکی را در نظر بگیرید-هیت سینک‌ها، پدهای حرارتی، و سیستم‌های خنک‌کننده پردازنده‌ها و پردازنده‌های گرافیکی، همگی به این مواد وابسته هستند تا کارها را روان نگه دارند. مس و آلومینیوم اینجا همه جا هست. آنها ارزان هستند، کار کردن با آنها آسان است و کار را انجام می دهند.

وقتی به انرژی های تجدیدپذیر مانند اینورترهای خورشیدی یا ذخیره باتری نگاه می کنید، انتقال سریع گرما بسیار مهم است. اگر این کار را نکنید، عملکرد کاهش می یابد و قطعات سریعتر از بین می روند. در اتومبیل ها و هواپیماها، این یک عمل متعادل کننده متفاوت است. شما موادی می خواهید که گرما را به خوبی هدایت کنند، اما همچنین می خواهید سبک باشند، بنابراین آلیاژهای آلومینیوم و کامپوزیت های فانتزی برنده می شوند.

سپس سیستم‌های{0}نیمه‌رسانا و لیزر{2}}طراحی با فن‌آوری پیشرفته-را دارید که فقط بهترین‌ها می‌توانند این کار را انجام دهند. این جایی است که الماس و نیترید آلومینیوم وارد می‌شوند. این مواد گرمای شدید را بدون تعریق تحمل می‌کنند و حتی زمانی که شرایط شدید می‌شوند پایدار می‌مانند.

با کوچک‌تر شدن و قدرتمندتر شدن دستگاه‌ها هر سال، همیشه برای مواد حرارتی بهتر تلاش می‌شود. این باعث پیشرفت‌های جالبی می‌شود، مانند کامپوزیت‌ها و نانومواد جدید که مانند گذشته گرما را کنترل می‌کنند.

روندهای آینده و نوآوری های مواد
 

نسل بعدی مواد با رسانایی حرارتی بالا با کامپوزیت های پیشرفته و پیشرفت در فناوری نانو شکل می گیرد. دانشمندان در حال استفاده از موادی مانند گرافن، نانولوله‌های کربنی و آرسنید بور هستند. به عنوان مثال نانولوله های کربنی را در نظر بگیرید. در تنظیمات آزمایشگاهی، نمودارهای هدایت حرارتی را نشان داده اند، گاهی اوقات بیش از 6000 W/m·K.

اما این فقط در مورد مواد منفرد نیست. مردم فلزات را با سرامیک مخلوط می‌کنند یا ساختارهای{1} بر پایه کربن را می‌بافند تا هیبریدی بسازند که قدرت و مدیریت گرما را متعادل می‌کند. تکنیک‌های ساخت جدید مانند تولید مواد افزودنی به مهندسان اجازه می‌دهد سینک‌های حرارتی را به شکل‌هایی طراحی کنند که قبلاً امکان‌پذیر نبود، و بازدهی بیشتری را کاهش می‌دهند.

وسایل الکترونیکی کوچکتر و قدرتمندتر می شوند، بنابراین این رقابت برای مدیریت حرارتی هوشمندتر کند نمی شود. این پیشرفت‌ها فقط روی کاغذ جالب نیستند-آنها بازی را برای وسایل نقلیه الکتریکی، مراکز داده فوق-کارآمد و محاسبات{3}}با عملکرد بالا تغییر می‌دهند. اگر می‌خواهید بدانید آینده به کجا می‌رود، احتمالاً سردتر از همیشه است.

جدول خلاصه

پاور وینکسیک تولید کننده حرفه ای و متخصص در راه حل های پیشرفته مدیریت حرارتی، از جمله هیت سینک های آلومینیومی و مسی، هیت سینک های پره دار و صفحات سرد مایع است. PowerWinx با تخصص قوی در فناوری‌های ریخته‌گری، ماشین‌کاری CNC و لحیم کاری، راه‌حل‌های خنک‌کننده با کارایی بالا-و مقرون‌به‌صرفه{2}} متناسب با صنایعی مانند الکترونیک، انرژی‌های تجدیدپذیر، و کاربردهای خودرو ارائه می‌کند.

ISO 9001 / IATF 16949