I 7 conduttori principali di calore
I principali conduttori di calore sono metalli e diamanti, composti da matrice metallica, composti da matrice di carbonio, carbonio, grafite e compositi a matrice ceramica.
La conducibilità termica è una proprietà del materiale che descrive la capacità di condurre il calore e può essere definita come: "La quantità di calore trasmessa attraverso lo spessore di un materiale di un materiale - in una normale direzione verso un'area superficiale dell'area unitaria - a causa di un gradiente di temperatura unitario in condizioni stazionarie »(The Engineering ToolBox, SF).
In altre parole, la conduzione termica è il trasferimento di energia termica tra le particelle di materia che toccano. La conduzione termica si verifica quando particelle di materiale più caldo si scontrano con particelle di materia più fredda e trasferiscono parte della loro energia termica a particelle più fredde.
Guidare è di solito più veloce in alcuni solidi e liquidi rispetto ai gas. I materiali che sono buoni conduttori di energia termica sono chiamati conduttori termici.
I metalli sono conduttori termici particolarmente buoni perché hanno elettroni che si muovono liberamente e possono trasferire l'energia termica rapidamente e facilmente (CK-12 Foundation, SF).
In generale, buoni conduttori di elettricità (metalli come rame, alluminio, oro e argento) sono anche buoni conduttori di calore, mentre gli isolanti elettrici (legno, plastica e gomma) sono cattivi conduttori di calore.
L'energia cinetica (media) di una molecola nel corpo caldo è superiore a quella del corpo più freddo. Se due molecole si scontrano, si verifica un trasferimento di energia dalla molecola calda a quella fredda.
L'effetto cumulativo di tutte le collisioni si traduce in un flusso netto di calore dal corpo caldo al corpo più freddo (SantoPietro, SF).
Materiali ad alta conducibilità termica
Sono necessari materiali ad alta conduttività termica per la conduzione del calore per riscaldare o raffreddare. Uno dei bisogni più importanti è l'industria elettronica.
A causa della miniaturizzazione e dell'aumento della potenza della microelettronica, la dissipazione del calore è la chiave per l'affidabilità, le prestazioni e la miniaturizzazione della microelettronica.
La conducibilità termica dipende da molte proprietà di un materiale, in particolare dalla sua struttura e dalla sua temperatura.
Il coefficiente di espansione termica è particolarmente importante in quanto indica la capacità di un materiale di espandersi con il calore.
Metalli e diamanti
Il rame è il metallo più comunemente usato quando sono richiesti materiali ad alta conduttività termica.
Tuttavia, il rame assume un elevato coefficiente di coefficiente di espansione termica (CTE). La lega Invar (64% Fe ± 36% Ni) è eccezionalmente bassa in CET tra i metalli, ma è molto povera di conducibilità termica.
Il diamante è più attraente, poiché ha una conduttività termica molto alta e un CET basso, ma è costoso (Conducibilità termica, SF).
L'alluminio non è conduttivo come il rame, ma ha una bassa densità, che è attraente per l'elettronica e le applicazioni degli aerei (ad esempio i laptop) che richiedono un peso ridotto.
I metalli sono conduttori termici ed elettrici. Per le applicazioni che richiedono conduttività termica e isolamento elettrico, possono essere utilizzati diamanti e materiali ceramici appropriati, ma non possono essere utilizzati metalli diversi.
Composti a matrice metallica
Un modo per ridurre il CTE di un metallo è quello di formare un composito a matrice metallica usando un riempitivo a bassa CTE.
A tale scopo vengono utilizzate particelle ceramiche come AlN e carburo di silicio (SiC), a causa della loro combinazione di alta conduttività termica e bassa CTE.
Poiché il riempimento di solito ha un CTE inferiore e una conduttività termica inferiore rispetto alla matrice metallica, maggiore è la frazione volumetrica di carica nel composito, minore è il CTE e minore è la conducibilità termica.
Composti a matrice di carbonio
Il carbonio è una matrice attraente per i composti di conduzione termica a causa della sua conduttività termica (sebbene non così elevata come quella dei metalli) e CTE bassa (inferiore a quella dei metalli).
Inoltre, il carbonio è resistente alla corrosione (più resistente alla corrosione rispetto ai metalli) e al suo peso ridotto.
Un altro vantaggio della matrice di carbonio è la sua compatibilità con le fibre di carbonio, in contrasto con la comune reattività tra una matrice metallica e le sue cariche.
Pertanto, le fibre di carbonio sono il riempitivo dominante per i compositi a matrice di carbonio.
Carbonio e grafite
Un materiale completamente carbonio prodotto dal consolidamento di carboni precursori di carbonio orientati senza legante e successiva carbonizzazione e grafitizzazione facoltativa, ha una conduttività termica compresa tra 390 e 750 W / mK nella fibra del materiale.
Un altro materiale è la grafite pirolitica (chiamata TPG) racchiusa in un guscio strutturale. La grafite (molto strutturata con gli assi c dei grani preferibilmente perpendicolare al piano della grafite), ha una conduttività termica nel piano K 1700 W / m (quattro volte quella del rame), ma è meccanicamente debole a causa della tendenza a tagliare nel piano di grafite.
Composti a matrice ceramica
La matrice di vetro borosilicato è attraente a causa della sua bassa costante dielettrica (4.1) rispetto a quella di AlN (8.9), di allumina (9.4), di SiC (42), di BeO (6.8), di nitruro di boro cubico (7.1), diamante (5.6) e vetro ± ceramica (5.0).
Un valore basso della costante dielettrica è auspicabile per le applicazioni di imballaggio elettronico. D'altra parte, il vetro ha una bassa conduttività termica.
La matrice SiC è attraente a causa del suo elevato CTE rispetto alla matrice di carbonio, sebbene non sia termoconduttiva come il carbonio.
Il CTE dei composti carbonio + carbonio è troppo basso, con conseguente riduzione della vita a fatica nelle applicazioni chip-on-board (COB) con i chip di silice.
Il composto di carbonio a matrice SiC è composto da un composto carbonio-carbonio che converte la matrice di carbonio in SiC (Chung, 2001).
