7 Ana Isı İletkenleri
Ana ısı iletkenleri, karbon matriks, karbon, grafit ve seramik matriks kompozitlerden oluşan metal matriksten oluşan metaller ve elmaslardır.
Isı iletkenliği, ısı iletme kabiliyetini tanımlayan bir malzeme özelliğidir ve şöyle tanımlanabilir: "Bir malzemenin bir birim kalınlığından - normal bir yönde birim alanın yüzey alanına iletilen ısı miktarı - nedeniyle Kararlı koşullar altında bir birim sıcaklık gradyanı »(The Engineering ToolBox, SF).
Başka bir deyişle, termal iletim, dokunan maddenin parçacıkları arasında termal enerjinin transferidir. Sıcak madde parçacıkları daha soğuk madde parçacıklarıyla çarpıştığında ve termal enerjisinin bir kısmını daha soğuk parçacıklara aktardığında, ısı iletimi gerçekleşir.
Sürüş, bazı katı ve sıvılarda genellikle gazlardan daha hızlıdır. İyi termal enerji iletkenleri olan malzemelere termal iletkenler denir.
Metaller özellikle iyi termal iletkenlerdir, çünkü serbestçe hareket eden ve ısı enerjisini hızlı ve kolay bir şekilde aktarabilen elektronları vardır (CK-12 Foundation, SF).
Genel olarak, iyi elektrik iletkenleri (bakır, alüminyum, altın ve gümüş gibi metaller) de iyi bir ısı iletkeni iken, elektrik yalıtkanları (ahşap, plastik ve kauçuk) zayıf ısı iletkenleridir.
Sıcak vücuttaki bir molekülün kinetik enerjisi (ortalama), en soğuk vücuttan daha yüksektir. İki molekül çarpışırsa, sıcaktan soğuk moleküle bir enerji transferi gerçekleşir.
Tüm çarpışmaların kümülatif etkisi, ılık gövdeden en soğuk gövdeye net bir ısı akışı ile sonuçlanır (SantoPietro, SF).
Yüksek termal iletkenlik malzemeleri
Isı iletimi için, ısı ya da soğuma için yüksek ısı iletkenliği malzemelerine ihtiyaç vardır. En kritik ihtiyaçlardan biri elektronik endüstrisidir.
Minyatürleştirme ve artan mikroelektronik güç nedeniyle, ısı dağılımı, mikroelektroniklerin güvenilirliği, performansı ve minyatürleştirilmesi için anahtardır.
Isı iletkenliği bir malzemenin birçok özelliğine, özellikle yapısına ve sıcaklığına bağlıdır.
Termal genleşme katsayısı, bir malzemenin ısıyla genleşme yeteneğini gösterdiğinden özellikle önemlidir.
Metaller ve elmaslar
Yüksek ısı iletkenliği gerektiren malzemeler gerektiğinde bakır en çok kullanılan metaldir.
Bununla birlikte, bakır yüksek bir termal genleşme katsayısı (CTE) varsaymaktadır. Invar alaşımı (% 64 Fe ±% 36 Ni) metaller arasında CET'de istisnai olarak düşüktür, ancak termal iletkenlik açısından çok zayıftır.
Elmas daha çekicidir, çünkü çok yüksek bir termal iletkenliğe ve düşük bir CET'e sahiptir, ancak pahalıdır (Termal İletkenlik, SF).
Alüminyum, bakır kadar iletken değildir, ancak uçak elektroniği ve düşük ağırlık gerektiren uygulamalar (örneğin dizüstü bilgisayarlar) için çekici olan düşük bir yoğunluğa sahiptir.
Metaller termal ve elektriksel iletkendir. Isı iletkenliği ve elektriksel yalıtım gerektiren uygulamalar için uygun elmaslar ve seramik malzemeler kullanılabilir, ancak metal olmayanlar kullanılabilir.
Metal matris bileşikleri
Bir metalin CTE'sini azaltmanın bir yolu, düşük bir CTE dolgu maddesi kullanarak bir metal matris kompoziti oluşturmaktır.
Bu amaçla, yüksek termal iletkenlik ve düşük CTE kombinasyonları nedeniyle AlN ve silisyum karbür (SiC) gibi seramik parçacıkları kullanılır.
Dolgu genellikle metalik matristen daha düşük bir CTE'ye ve daha düşük bir termal iletkenliğe sahip olduğu için, kompozit içindeki yükün hacim oranı arttıkça, CTE ne kadar düşük ve termal iletkenlik o kadar düşük olur.
Karbon matriks bileşikleri
Karbon, termal iletkenliği (metaller kadar yüksek olmasa da) ve düşük CTE (metallerden düşük) olmasına rağmen, termal iletken bileşikler için çekici bir matristir.
Ek olarak, karbon korozyona (metallerden daha fazla korozyona dayanıklı) ve düşük ağırlığına dayanıklıdır.
Karbon matrisinin bir başka avantajı, metal matris ve yükleri arasındaki ortak reaktivitenin aksine, karbon fiberlerle uyumluluğudır.
Bu nedenle, karbon elyafları, karbon matriks kompozitler için baskın dolgu maddesidir.
Karbon ve grafit
Bir bağlayıcı madde içermeyen ve ardından karbonizasyon ve isteğe bağlı grafitlenmeye yönelik karbon öncü karbonların birleştirilmesiyle üretilen tamamen karbonlu bir malzeme, malzemenin Elyafında 390 ila 750 W / mK arasında değişen bir termal iletkenliğe sahiptir.
Diğer bir malzeme, yapısal bir kabuk içine alınmış pirolitik grafittir (TPG olarak adlandırılır). Grafit (tahılların c eksenleri ile tercihen grafit düzlemine dik olan çok dokulu), 1700 W / m K düzleminde (bakırın dört katı) bir termal iletkenliğe sahiptir, ancak eğilimi nedeniyle mekanik olarak zayıftır. grafit düzleminde kesin.
Seramik matris bileşikleri
Borosilikat cam matrisi, düşük dielektrik sabiti (4.1), AlN (8.9), alümina (9.4), SiC (42), BeO (6.8), kübik bor nitrür ile karşılaştırıldığında çekicidir. (7.1), elmas (5.6) ve cam ± seramik (5.0).
Elektronik paketleme uygulamaları için düşük bir dielektrik sabiti değeri istenir. Öte yandan, cam düşük ısı iletkenliğine sahiptir.
SiC matrisi karbon matrisi ile karşılaştırıldığında yüksek CTE nedeniyle çekicidir, ancak karbon kadar termal olarak iletken olmamasına rağmen.
Karbon + karbon bileşiklerinin CTE'si çok düşüktür ve silika cipsli yonga üzerindeki (COB) uygulamalarda yorulma ömrünün azalmasına neden olur.
SiC matris karbon bileşiği, karbon matrisi SiC'ye dönüştüren bir karbon-karbon bileşiğinden oluşur (Chung, 2001).
