Materialen met hoge thermische geleidbaarheid

Invoering

Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid zijn van groot belang in de hedendaagse technische wereld. Je ziet ze overal-in de elektronica, auto's, energiesystemen en allerlei soorten industriële machines. Kortom, thermische geleidbaarheid is hoe goed een materiaal warmte van de ene plek naar de andere verplaatst, meestal gemeten in watt per meter-kelvin (W/m·K).

Als een materiaal warmte snel overdraagt, zorgt het ervoor dat alles koel blijft en soepel blijft werken. Dat is de reden waarom koper en aluminium zo populair zijn; ze doen geweldig werk, en ze maken de bank niet kapot. Maar als u de prestaties nog verder wilt verbeteren, zijn er geavanceerde opties zoals diamant en grafiet.

Diamant blaast bijvoorbeeld de meeste metalen uit het water met een thermische geleidbaarheid tussen 1000 en 2200 W/m·K. Als u weet welke materialen wat doen, wordt het een stuk eenvoudiger om de juiste keuze te maken voor koellichamen en andere koelsystemen.

Aluminium koellichamen

Classificatie van materialen met een hoge thermische geleidbaarheid
 

Als het gaat om materialen die warmte goed transporteren, heb je vier hoofdgroepen: metalen, keramiek, op koolstof-gebaseerde materialen en composieten. Metalen zijn populair-voor de meeste industrieën, omdat ze niet alleen geweldig zijn in het geleiden van warmte-ze zijn ook vrij eenvoudig te vormen en ermee te werken. Zilver en koper staan ​​bovenaan de lijst, met zilver met ongeveer 429 W/m·K en koper vlak daarachter met 401. Aluminium zit daar ook niet ver naast, met 237. Keramiek zoals aluminiumnitride en siliciumcarbide hebben een dubbele functie-ze kunnen goed met warmte omgaan en zijn isolerend tegen elektriciteit, waardoor ze perfect zijn voor het lef van de elektronica.

Op koolstof-gebaseerde materialen zijn een klasse apart. Denk aan grafiet en diamant. Grafiet kan ongeveer 150 W/m·K bereiken, maar diamant laat met zijn prestaties al het andere in het stof liggen. Dan heb je composieten, zoals koper-diamant of aluminium-grafiet. Deze mengsels worden steeds populairder omdat ingenieurs hierdoor zowel de thermische als de mechanische eigenschappen kunnen aanpassen aan wat ze nodig hebben. Uiteindelijk draait het allemaal om het kiezen van het juiste materiaal voor de klus,-het balanceren van zaken als kosten, gewicht, geleidbaarheid en hoe gemakkelijk het is om het onderdeel daadwerkelijk te maken.

Belangrijkste eigenschappen en prestatiefactoren
 

Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid zijn niet alleen afhankelijk van hun geleidbaarheidsgetallen. Er is een hele mix van factoren die een rol spelen:-thermische diffusiteit, dichtheid, soortelijke warmte en zelfs hoeveel het materiaal uitzet bij hitte, allemaal van belang in echte- situaties. Metalen verplaatsen warmte voornamelijk met hun vrije elektronen, terwijl niet-metalen zoals diamant trillingen in hun rooster gebruiken, ook wel bekend als fononen. Dit is de reden waarom diamant een elektrische isolator kan zijn, maar toch een ongelooflijk hoge thermische geleidbaarheid heeft.

Nog iets om in gedachten te houden: sommige materialen zijn anisotroop. Neem bijvoorbeeld grafiet.-De thermische geleidbaarheid ervan verandert afhankelijk van de richting waarin je meet. Dan zijn er oppervlakteafwerking, zuiverheid en temperatuur; dit alles kan de prestaties veranderen. Als u onzuiverheden of defecten introduceert, ziet u vrijwel onmiddellijk een daling van de geleidbaarheid.

Ingenieurs kijken ook naar hoe materialen met elkaar spelen. Als je te maken hebt met systemen die veel opwarmen en afkoelen, kunnen verschillen in thermische uitzetting mechanische spanning veroorzaken-of zelfs tot falen leiden. Het is dus echt een evenwichtsoefening, niet alleen maar een getallenspel.

Koperen koellichamen

Toepassingen in moderne industrieën
 

Materialen met een hoge thermische geleidbaarheid spelen een grote rol in allerlei soorten industrieën. Neem bijvoorbeeld de elektronica:-koellichamen, thermische pads en koelsystemen voor CPU's en GPU's zijn allemaal afhankelijk van deze materialen om alles soepel te laten werken. Koper en aluminium zijn hier overal. Ze zijn goedkoop, gemakkelijk om mee te werken en ze klaren de klus.

Als je kijkt naar hernieuwbare energie, zoals zonne-energie-omvormers of batterijopslag, is het snel afvoeren van warmte van cruciaal belang. Als je dat niet doet, nemen de prestaties af en sterven onderdelen sneller uit. In auto's en vliegtuigen is het een andere evenwichtsoefening. Je wilt materialen die de warmte heel goed geleiden, maar je wilt ook dat ze licht zijn, dus aluminiumlegeringen en mooie composieten winnen.

Dan heb je de high{0}}technologische kant-halfgeleiders en lasersystemen-waar alleen het beste goed genoeg is. Dat is waar diamant en aluminiumnitride in beeld komen. Deze materialen zijn bestand tegen extreme hitte zonder te zweten en blijven stabiel, zelfs als de omstandigheden hevig worden.

Nu apparaten elk jaar kleiner en krachtiger worden, is er altijd een drang naar nog betere thermische materialen. Dat zorgt voor een aantal coole doorbraken, zoals nieuwe composieten en nanomaterialen die als geen ander met warmte omgaan.

Toekomstige trends en materiaalinnovaties
 

De volgende generatie materialen met een hoge thermische geleidbaarheid wordt gevormd door geavanceerde composieten en doorbraken in de nanotechnologie. Wetenschappers richten zich op materialen als grafeen, koolstofnanobuisjes en boorarsenide.-Deze verleggen allemaal de grenzen als het gaat om het verplaatsen van warmte, vooral op nanoschaal. Neem bijvoorbeeld koolstofnanobuisjes. In laboratoriumomgevingen hebben ze-de-de thermische geleidbaarheid in kaart gebracht, soms meer dan 6000 W/m·K.

Maar het gaat niet alleen om afzonderlijke materialen. Mensen mengen metalen met keramiek of weven structuren op basis van koolstof- om hybriden te maken die kracht en warmtebeheer in evenwicht brengen. Nieuwe fabricagetechnieken zoals additive manufacturing stellen ingenieurs in staat koellichamen te ontwerpen in vormen die voorheen gewoon niet mogelijk waren, waardoor nog meer efficiëntie wordt bereikt.

Elektronica wordt steeds kleiner en krachtiger, dus de race om slimmer thermisch beheer vertraagt ​​niet. Deze verbeteringen zijn niet alleen interessant op papier-ze veranderen het spel voor elektrische voertuigen, super-efficiënte datacenters en krachtige- computerprestaties. Als je wilt weten waar de toekomst naartoe gaat: het is waarschijnlijk cooler dan ooit.

Overzichtstabel

PowerWinxis een professionele fabrikant die gespecialiseerd is in geavanceerde oplossingen voor thermisch beheer, waaronder aluminium en koperen koellichamen, koellichamen met afgesplitste vinnen en vloeibare koude platen. Met een sterke expertise op het gebied van spuitgieten, CNC-bewerking en hardsoldeertechnologieën levert PowerWinx hoogwaardige, kosteneffectieve koeloplossingen die zijn toegesneden op sectoren als de elektronica, duurzame energie en automobieltoepassingen.

ISO 9001 / IATF 16949