شارك:
7 الموصلات الحرارية الرئيسية
ال الموصلات الحرارية وأهمها المعادن والماس ومركبات المصفوفة المعدنية ومركبات المصفوفة الكربونية ومركبات المصفوفة المصنوعة من الكربون والجرافيت والسيراميك.
الموصلية الحرارية هي خاصية مادية تصف القدرة على توصيل الحرارة ويمكن تعريفها على النحو التالي: "كمية الحرارة المرسلة من خلال وحدة سماكة المادة - في الاتجاه الطبيعي إلى سطح مساحة الوحدة - بسبب درجة حرارة وحدة التدرج في ظل ظروف الحالة الثابتة "(The Engineering ToolBox، SF).
بمعنى آخر ، التوصيل الحراري هو نقل الطاقة الحرارية بين جزيئات المادة التي تلمس. يحدث التوصيل الحراري عندما تصطدم جزيئات المادة الأكثر سخونة بجزيئات المادة الباردة وتنقل جزءًا من طاقتها الحرارية إلى جزيئات أكثر برودة.
عادة ما تكون القيادة أسرع في بعض المواد الصلبة والسوائل عنها في الغازات. المواد التي هي موصلات جيدة للطاقة الحرارية تسمى الموصلات الحرارية.
المعادن هي موصلات حرارية جيدة بشكل خاص لأن لديها إلكترونات تتحرك بحرية ويمكنها نقل الطاقة الحرارية بسرعة وسهولة (CK-12 Foundation، S.F.).
بشكل عام ، الموصلات الجيدة للكهرباء (المعادن مثل النحاس والألومنيوم والذهب والفضة) هي أيضًا موصلات جيدة للحرارة ، بينما تكون عوازل الكهرباء (الخشب والبلاستيك والمطاط) موصلات سيئة للحرارة.
الطاقة الحركية (المتوسط) لجزيء في الجسم الدافئ أعلى منها في أبرد الجسم. في حالة تصادم جزيئين ، يحدث نقل الطاقة من الجزيء الساخن إلى البرد.
ينتج عن التأثير التراكمي لجميع الاصطدامات تدفق صافٍ للحرارة من الجسم الدافئ إلى أبرد جسم (SantoPietro، S.F).
مواد الموصلية الحرارية العالية
هناك حاجة إلى مواد الموصلية الحرارية العالية للتوصيل الحراري من أجل تسخين أو تبريد. أحد أهم الاحتياجات هو الصناعة الإلكترونية.
نظرًا لتصغير الإلكترونيات الدقيقة وزيادة قوتها ، فإن تبديد الحرارة هو مفتاح الموثوقية والأداء والتصغير للإلكترونيات الدقيقة..
تعتمد الموصلية الحرارية على العديد من خصائص المادة ، وخاصة تركيبتها ودرجة حرارتها.
يعد معامل التمدد الحراري ذا أهمية خاصة لأنه يشير إلى قدرة المادة على التمدد مع الحرارة.
المعادن والماس
النحاس هو المعدن الأكثر استخدامًا عند الحاجة إلى مواد الموصلية الحرارية العالية.
ومع ذلك ، يفترض النحاس معاملًا عالٍ لمعامل التمدد الحراري (CTE). سبيكة Invar (64٪ Fe ± 36٪ Ni) منخفضة بشكل استثنائي في CET بين المعادن ، ولكنها فقيرة جدًا في التوصيل الحراري.
الماس أكثر جاذبية ، لأنه يحتوي على الموصلية الحرارية عالية للغاية و CET منخفضة ، لكنها مكلفة (الموصلية الحرارية ، S.F).
الألومنيوم ليس موصلاً مثل النحاس ، ولكنه ذو كثافة منخفضة ، وهو جذاب للإلكترونيات والتطبيقات الجوية (على سبيل المثال ، أجهزة الكمبيوتر المحمولة) التي تتطلب وزنًا منخفضًا.
المعادن هي الموصلات الحرارية والكهربائية. يمكن استخدام الماس والمواد الخزفية المناسبة للتطبيقات التي تتطلب التوصيل الحراري والعزل الكهربائي ، ولكن غير المعادن.
مركبات المصفوفة المعدنية
طريقة واحدة لتقليل CTE من المعدن هي تكوين مصفوفة معدنية باستخدام حشو CTE منخفض.
لهذا الغرض ، يتم استخدام جزيئات السيراميك مثل AlN وكربيد السيليكون (SiC) ، وذلك بسبب مزيج من الموصلية الحرارية العالية وانخفاض CTE.
نظرًا لأن الحشو عادةً ما يكون به CTE أقل وموصلية حرارية أقل من المصفوفة المعدنية ، فكلما زاد حجم حجم الشحنة في المركب ، انخفض CTE وانخفاض الموصلية الحرارية..
مركبات الكربون المصفوفة
الكربون عبارة عن مصفوفة جذابة لمركبات التوصيل الحراري بسبب الموصلية الحرارية (وإن لم تكن عالية مثل تلك الخاصة بالمعادن) ومنخفضة CTE (أقل من تلك الخاصة بالمعادن).
بالإضافة إلى ذلك ، الكربون مقاوم للتآكل (أكثر مقاومة للتآكل من المعادن) ووزنه المنخفض.
ميزة أخرى لمصفوفة الكربون هي توافقها مع ألياف الكربون ، على عكس التفاعل المشترك بين مصفوفة معدنية وشحناتها.
لذلك ، ألياف الكربون هي الحشو المهيمن لمركبات مصفوفة الكربون.
الكربون والجرافيت
تحتوي مادة الكربون الكاملة التي يتم تصنيعها من خلال دمج كاربونات السلائف الكربونية الموجهة دون وجود رابطات والكربنة اللاحقة والجرافيت الاختياري ، على الموصلية الحرارية التي تتراوح بين 390 و 750 واط / mK في ألياف المادة..
مادة أخرى هي الجرافيت الانحلالي (وتسمى TPG) مغلفة في قذيفة الهيكلية. يحتوي الجرافيت (محكم للغاية مع محاور c من الحبوب ويفضل أن يكون عموديًا على مستوى الجرافيت) ، على الموصلية الحرارية في مستوى 1700 واط / م ك (أربعة أضعاف النحاس) ، ولكنه ضعيف ميكانيكياً بسبب الميل إلى قطع في الطائرة الجرافيت.
مركبات المصفوفة الخزفية
المصفوفة الزجاجية البورسليكات جذابة بسبب ثابت العزل الكهربائي المنخفض (4.1) مقارنة مع AlN (8.9) ، الألومينا (9.4) ، SiC (42) ، BeO (6.8) ، نيتريد البورون المكعب (7.1) ، الماس (5.6) والزجاج والسيراميك (5.0).
القيمة المنخفضة لثابت العزل أمر مرغوب فيه لتطبيقات التغليف الإلكترونية. من ناحية أخرى ، الزجاج لديه الموصلية الحرارية المنخفضة.
تعد مصفوفة SiC جذابة بسبب معامل التكسير المرتفع العالي مقارنة بمصفوفة الكربون ، رغم أنها ليست موصلة حرارياً مثل الكربون.
إن CTE لمركبات الكربون + الكربون منخفضة للغاية ، مما يؤدي إلى انخفاض عمر التعب في تطبيقات الرقاقة (COB) مع رقائق السيليكا.
يتكون مركب كربون المصفوفة SiC من مركب كربون-كربون يحول المصفوفة الكربونية إلى SiC (Chung، 2001).
مراجع
- Chung، D. (2001). مواد التوصيل الحراري. الهندسة الحرارية التطبيقية 21 , 1593 ± 1605.
- CK-12 Foundation. (وس. ف.). الموصلات الحرارية والعوازل. تم الاسترجاع من ck12.org: ck12.org.
- سانتو بيترو ، د.. ما هي الموصلية الحرارية? تم الاسترجاع من khanacademy: khanacademy.org.
- صندوق الأدوات الهندسية. (وس. ف.). الموصلية الحرارية للمواد والغازات الشائعة. تم الاسترجاع من engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.