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Os 7 principais condutores de calor
O condutores de calor Os principais são metais e diamantes, compósitos com matriz de metal, compósitos com matriz de carbono, compósitos com matriz de carbono, grafite e cerâmica.
A condutividade térmica é uma propriedade do material que descreve a capacidade de conduzir calor e pode ser definida como: "A quantidade de calor transmitida através de uma espessura unitária de um material - em uma direção normal a uma superfície de unidade de área - devido a um gradiente de temperatura unitário sob condições de estado estacionário "(The Engineering ToolBox, SF).
Em outras palavras, a condução térmica é a transferência de energia térmica entre partículas de matéria que se tocam. A condução térmica ocorre quando partículas de matéria mais quente colidem com partículas de matéria mais fria e transferem parte de sua energia térmica para partículas mais frias.
Conduzir é geralmente mais rápido em certos sólidos e líquidos do que em gases. Os materiais que são bons condutores de energia térmica são chamados de condutores térmicos.
Metais são particularmente bons condutores térmicos porque possuem elétrons que se movem livremente e podem transferir energia de calor de maneira rápida e fácil (CK-12 Foundation, S.F.).
Em geral, bons condutores de eletricidade (metais como cobre, alumínio, ouro e prata) também são bons condutores de calor, enquanto isoladores de eletricidade (madeira, plástico e borracha) são maus condutores de calor.
A energia cinética (média) de uma molécula no corpo quente é maior do que no corpo mais frio. Se duas moléculas colidem, ocorre uma transferência de energia da molécula quente para o frio.
O efeito cumulativo de todas as colisões resulta em um fluxo líquido de calor do corpo quente para o corpo mais frio (SantoPietro, S.F.).
Materiais de alta condutividade térmica
Materiais de alta condutividade térmica são necessários para a condução de calor, a fim de aquecer ou esfriar. Uma das necessidades mais críticas é a indústria eletrônica.
Devido à miniaturização e ao aumento do poder da microeletrônica, a dissipação de calor é fundamental para a confiabilidade, o desempenho e a miniaturização da microeletrônica.
A condutividade térmica depende de muitas propriedades de um material, especialmente sua estrutura e temperatura.
O coeficiente de expansão térmica é especialmente importante, pois indica a capacidade de um material se expandir com o calor.
Metais e diamantes
O cobre é o metal mais comumente usado quando materiais de alta condutividade térmica são necessários.
No entanto, o cobre assume um alto coeficiente de coeficiente de expansão térmica (CET). A liga Invar (64% Fe ± 36% Ni) é excepcionalmente baixa em CET entre metais, mas é muito pobre em condutividade térmica.
O diamante é mais atraente, pois tem uma condutividade térmica muito alta e um baixo CET, mas é caro (Condutividade Térmica, S.F.).
O alumínio não é tão condutor quanto o cobre, mas tem baixa densidade, o que é atraente para os eletrônicos e aplicações de aeronaves (por exemplo, laptops) que exigem baixo peso.
Metais são condutores térmicos e elétricos. Para aplicações que exigem condutividade térmica e isolamento elétrico, podem ser usados diamantes apropriados e materiais cerâmicos, mas não metais podem ser usados.
Compostos de matriz de metal
Uma maneira de reduzir o CET de um metal é formar um compósito com matriz de metal usando um enchimento de baixo CTE.
Para este propósito, partículas cerâmicas tais como AlN e carbeto de silício (SiC) são utilizadas, devido à sua combinação de alta condutividade térmica e baixo CET.
Como o enchimento geralmente tem um CET mais baixo e uma condutividade térmica mais baixa que a matriz metálica, quanto maior a fração de volume de carga no compósito, menor o CTE e menor a condutividade térmica.
Compostos de matriz de carbono
O carbono é uma matriz atraente para compostos de condução térmica devido à sua condutividade térmica (embora não tão alta quanto a dos metais) e baixo CET (menor que a dos metais).
Além disso, o carbono é resistente à corrosão (mais resistente à corrosão que os metais) e ao seu baixo peso.
Outra vantagem da matriz de carbono é sua compatibilidade com as fibras de carbono, em contraste com a reatividade comum entre uma matriz de metal e suas cargas.
Portanto, as fibras de carbono são as cargas dominantes para compósitos com matriz de carbono.
Carbono e grafite
Um material totalmente carbono fabricado pela consolidação de carbonos precursores de carbono orientados sem um ligante e subsequente carbonização e grafitização opcional, possui uma condutividade térmica que varia de 390 a 750 W / mK na Fibra do material.
Outro material é grafite pirolítica (denominada TPG) contida em um invólucro estrutural.Grafite (muito texturização eixo C, de preferência, perpendicular ao plano de grãos de grafite) tem uma condutividade térmica em plano de 1700 W / m K (quatro vezes maior do que o cobre), mas é mecanicamente fraco por causa da tendência corte no plano de grafite.
Compostos de matriz cerâmica
A matriz de vidro de borosilicato é atractivo devido ao seu constante dieléctrica baixa (4,1) comparada com a de AlN (8,9), alumina (9,4), SiC (42), BeO (6,8) de nitreto de boro cúbico (7.1), diamante (5.6) e vidro ± cerâmica (5.0).
Um baixo valor da constante dielétrica é desejável para aplicações de embalagem eletrônica. Por outro lado, o vidro tem uma baixa condutividade térmica.
A matriz de SiC é atractivo devido ao seu elevado CTE em comparação com a matriz de carbono, embora não tão termicamente condutor como o carbono.
O CTE de carbono compostos de carbono ± é demasiado baixa, o que resulta numa redução da vida útil da fadiga nas aplicações de chip-on-board (COB) com chips de silício.
A matriz de SiC compósito de carbono compreende uma matriz de carbono compósito de carbono-carbono convertendo SiC (Chung, 2001).
Referências
- Chung, D. (2001). Materiais para condução térmica. Engenharia Térmica Aplicada 21 , 1593±1605.
- Fundação CK-12. (S.F.). Condutores térmicos e isoladores. Retirado de ck12.org: ck12.org.
- SantoPietro, D. (S.F.). O que é condutividade térmica? Retirado de Khan Academy: khanacademy.org.
- A caixa de ferramentas de engenharia. (S.F.). Condutividade Térmica de Materiais e Gases comuns. Obtido em engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.