7 ตัวนำความร้อนหลัก

ตัวนำ ความร้อน หลักคือโลหะและเพชรประกอบด้วยเมทริกซ์โลหะประกอบด้วยคาร์บอนเมทริกซ์คาร์บอนกราไฟต์และเซรามิกคอมโพสิตเมทริกซ์

การนำความร้อนเป็นคุณสมบัติของวัสดุที่อธิบายถึงความสามารถในการนำความร้อนและสามารถกำหนดเป็น: "ปริมาณของความร้อนที่ส่งผ่านความหนาของวัสดุหน่วย - ในทิศทางปกติไปยังพื้นที่ผิวของพื้นที่หน่วย - เนื่องจาก การไล่ระดับอุณหภูมิของหน่วยภายใต้สภาวะคงที่» (กล่องเครื่องมือทางวิศวกรรม, SF)

กล่าวอีกนัยหนึ่งการนำความร้อนคือการถ่ายโอนพลังงานความร้อนระหว่างอนุภาคของสสารที่สัมผัส การนำความร้อนเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคของสสารร้อนร้อนชนกับอนุภาคที่เย็นกว่าและถ่ายโอนพลังงานความร้อนบางส่วนไปยังอนุภาคที่เย็นกว่า

การขับรถเร็วกว่าปกติในของแข็งและของเหลวมากกว่าในก๊าซ วัสดุที่เป็นตัวนำความร้อนที่ดีนั้นเรียกว่าตัวนำความร้อน

โลหะเป็นตัวนำความร้อนที่ดีโดยเฉพาะเพราะมีอิเลคตรอนที่เคลื่อนไหวได้อย่างอิสระและสามารถถ่ายโอนพลังงานความร้อนได้อย่างรวดเร็วและง่ายดาย (CK-12 Foundation, SF)

โดยทั่วไปตัวนำไฟฟ้าที่ดี (โลหะเช่นทองแดงอลูมิเนียมทองคำและเงิน) ก็เป็นตัวนำความร้อนที่ดีในขณะที่ฉนวนไฟฟ้า (ไม้พลาสติกและยาง) เป็นตัวนำความร้อนที่ไม่ดี

พลังงานจลน์ (เฉลี่ย) ของโมเลกุลในร่างกายที่อบอุ่นสูงกว่าในร่างกายที่เย็นที่สุด หากโมเลกุลสองโมเลกุลชนกันจะมีการถ่ายโอนพลังงานจากความร้อนไปยังโมเลกุลเย็น

ผลสะสมของการชนทั้งหมดส่งผลให้เกิดกระแสความร้อนจากร่างกายที่อบอุ่นไปสู่ร่างกายที่เย็นที่สุด (SantoPietro, SF)

วัสดุการนำความร้อนสูง

วัสดุการนำความร้อนสูงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการนำความร้อนเพื่อให้ความร้อนหรือเย็น หนึ่งในความต้องการที่สำคัญที่สุดคืออุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์

เนื่องจากการย่อขนาดและพลังงานที่เพิ่มขึ้นของไมโครอิเล็กทรอนิกส์การกระจายความร้อนเป็นกุญแจสำคัญในความน่าเชื่อถือประสิทธิภาพและการย่อขนาดของไมโครอิเล็กทรอนิกส์

การนำความร้อนขึ้นอยู่กับคุณสมบัติหลายอย่างของวัสดุโดยเฉพาะโครงสร้างและอุณหภูมิ

สัมประสิทธิ์ของการขยายตัวทางความร้อนมีความสำคัญอย่างยิ่งเนื่องจากมันบ่งบอกถึงความสามารถของวัสดุที่จะขยายตัวด้วยความร้อน

โลหะและเพชร

ทองแดงเป็นโลหะที่ใช้กันมากที่สุดเมื่อต้องการค่าการนำความร้อนสูง

อย่างไรก็ตามทองแดงถือว่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวจากความร้อน (CTE) สูง โลหะผสม Invar (64% Fe ± 36% Ni) มีค่าต่ำมากใน CET ระหว่างโลหะ แต่มีค่าการนำความร้อนต่ำมาก

เพชรมีเสน่ห์มากกว่าเนื่องจากมีค่าการนำความร้อนสูงมากและมีค่า CET ต่ำ แต่มีค่าใช้จ่ายสูง (Thermal Conductivity, SF)

อลูมิเนียมไม่สามารถนำไฟฟ้าได้ดีเท่ากับทองแดง แต่มีความหนาแน่นต่ำซึ่งเป็นที่น่าสนใจสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และแอพพลิเคชั่นของเครื่องบิน (เช่นแล็ปท็อป) ที่ต้องการน้ำหนักต่ำ

โลหะเป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้า สำหรับการใช้งานที่ต้องมีการนำความร้อนและฉนวนไฟฟ้าอาจใช้เพชรและวัสดุเซรามิกที่เหมาะสม แต่อาจใช้อโลหะ

สารประกอบเมทริกซ์โลหะ

วิธีหนึ่งในการลด CTE ของโลหะคือการสร้างคอมโพสิตเมทริกซ์โลหะโดยใช้ฟิลเลอร์ CTE ที่ต่ำ

เพื่อจุดประสงค์นี้ใช้อนุภาคเซรามิกเช่น AlN และซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) เนื่องจากมีการรวมกันของการนำความร้อนสูงและ CTE ต่ำ

เนื่องจากการบรรจุมักจะมี CTE ที่ต่ำกว่าและค่าการนำความร้อนที่ต่ำกว่าเมทริกซ์โลหะยิ่งมีเศษของปริมาตรของประจุในคอมโพสิตที่สูงขึ้นเท่าใด CTE ที่ต่ำกว่าและการนำความร้อนต่ำ

สารประกอบคาร์บอนเมทริกซ์

คาร์บอนเป็นเมทริกซ์ที่น่าสนใจสำหรับสารประกอบการนำความร้อนเนื่องจากค่าการนำความร้อน (แม้ว่าจะไม่สูงเท่ากับโลหะ) และ CTE ต่ำ (ต่ำกว่าโลหะ)

นอกจากนี้คาร์บอนยังทนทานต่อการกัดกร่อน (ทนต่อการกัดกร่อนได้ดีกว่าโลหะ) และมีน้ำหนักเบา

ข้อดีอีกอย่างของเมทริกซ์คาร์บอนคือความเข้ากันได้กับเส้นใยคาร์บอนตรงกันข้ามกับปฏิกิริยาทั่วไประหว่างเมทริกซ์โลหะและประจุ

ดังนั้นคาร์บอนไฟเบอร์จึงเป็นสารตัวเติมที่เด่นชัดสำหรับคอมโพสิตเมทริกซ์ของคาร์บอน

คาร์บอนและกราไฟท์

วัสดุคาร์บอนทั้งหมดที่ผลิตโดยการรวมของคาร์บอนสารตั้งต้นที่มุ่งเน้นโดยไม่ต้องสารยึดเกาะและถ่านที่ตามมาและ graphitization ตัวเลือกมีการนำความร้อนตั้งแต่ 390 ถึง 750 W / mK ในไฟเบอร์ของวัสดุ

วัสดุอีกชนิดหนึ่งคือ pyrolytic graphite (เรียกว่า TPG) ห่อหุ้มอยู่ในเปลือกโครงสร้าง กราไฟต์ (พื้นผิวที่มีแกน c ของแกนตั้งฉากกับระนาบของกราไฟต์) มีการนำความร้อนในระนาบ 1700 W / m K (ทองแดงสี่เท่า) แต่มีกลไกอ่อนแอเนื่องจากแนวโน้มที่จะ ตัดในระนาบไฟท์

สารประกอบเมทริกซ์เซรามิก

เมทริกซ์แก้ว borosilicate น่าสนใจเนื่องจากค่าคงที่ไดอิเล็กตริกต่ำ (4.1) เมื่อเทียบกับ AlN (8.9), alumina (9.4), SiC (42), ของ BeO (6.8), ลูกบาศก์โบรอนไนไตรด์ (7.1), เพชร (5.6) และแก้ว±เซรามิก (5.0)

ค่าต่ำสุดของค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเป็นที่ต้องการสำหรับการใช้งานบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ ในทางกลับกันแก้วมีค่าการนำความร้อนต่ำ

เมทริกซ์ SiC นั้นน่าสนใจเนื่องจากมีค่า CTE สูงเมื่อเปรียบเทียบกับเมทริกซ์คาร์บอนแม้ว่าจะไม่เป็นสื่อนำความร้อนเท่ากับคาร์บอน

CTE ของสารประกอบคาร์บอน + คาร์บอนต่ำเกินไปส่งผลให้อายุการใช้งานของความเหนื่อยล้าลดลงในการใช้งานชิพบนบอร์ดด้วยชิปซิลิกา

คอมโพสิตคาร์บอนเมทริกซ์ SiC ประกอบด้วยสารประกอบคาร์บอนคาร์บอนแปลงเมทริกซ์คาร์บอนเป็น SiC (Chung, 2001)