חומרים מוליכות תרמית גבוהה

מָבוֹא

חומרים עם מוליכות תרמית גבוהה חשובים הרבה בעולם ההנדסה של היום. אתה רואה אותם בכל מקום-בתוך אלקטרוניקה, מכוניות, מערכות אנרגיה וכל מיני מכונות תעשייתיות. בעיקרון, מוליכות תרמית היא עד כמה חומר מעביר חום מנקודה אחת לאחרת, בדרך כלל נמדדת בוואט למטר-קלווין (W/m·K).

אם חומר מעביר חום מהר, זה עוזר לשמור על קרירות ופעילות חלקה. לכן נחושת ואלומיניום כל כך פופולריים; הם עושים עבודה נהדרת, והם לא שוברים את הכיס. אבל כאשר אתה צריך לדחוף את הביצועים עוד יותר, יש אפשרויות מתקדמות כמו יהלום וגרפיט.

יהלום, למשל, מוציא את רוב המתכות מהמים עם מוליכות תרמית בין 1000 ל-2200 W/m·K. לכן, לדעת אילו חומרים עושים את זה הרבה יותר קל לבחור את החומר הנכון עבור גופי קירור ומערכות קירור אחרות.

גופי קירור מאלומיניום

סיווג של חומרים מוליכות תרמית גבוהה
 

כשזה מגיע לחומרים שמעבירים חום טוב, יש לך ארבע קבוצות עיקריות: מתכות, קרמיקה, חומרים מבוססי פחמן- וחומרים מרוכבים. מתכות הן הבחירה-למרבית התעשיות מכיוון שהן לא רק מעולות בהולכת חום-הן גם די קלות לעצב ולעבוד איתן. כסף ונחושת נמצאים בראש הרשימה, עם כסף בערך ב-429 W/m·K ונחושת קרובה מאחור ב-401. גם אלומיניום לא רחוק, ב-237. קרמיקה כמו אלומיניום ניטריד וסיליקון קרביד מושכות כפולות-הן מתמודדות היטב עם חום ומבודדות מפני חשמל, מה שהופך אותן למושכות של חשמל עבור המעיים.

עכשיו, חומרים מבוססי פחמן- הם סוג של מעמד משלהם. תחשוב על גרפיט ויהלום. הגרפיט יכול להכות בסביבות 150 W/m·K, אבל היהלום משאיר את כל השאר באבק עם הביצועים שלו. אז יש לך חומרים מרוכבים, כמו גרפיט-נחושת או אלומיניום-. תערובות אלו הופכות לפופולריות יותר מכיוון שהן מאפשרות למהנדסים להתאים הן את האיכויות התרמיות והן המכניות כך שיתאימו למה שהם צריכים. בסופו של דבר, הכל עוסק בבחירת החומר המתאים לעבודה-לאיזון בין דברים כמו עלות, משקל, מוליכות ועד כמה קל ליצור את החלק בפועל.

מאפיינים מרכזיים וגורמי ביצועים
 

חומרים מוליכות תרמית גבוהה אינם תלויים רק במספרי המוליכות שלהם. יש שילוב שלם של גורמים שמשחקים-דיפוזיה תרמית, צפיפות, חום סגולי, ואפילו כמה החומר מתרחב עם חום, כולם חשובים במצבי-חיים אמיתיים. מתכות מעבירות חום בעיקר עם האלקטרונים החופשיים שלהן, בעוד שמתכות לא-כמו יהלום משתמשות בתנודות בסריג שלהן, המכונה פונונים. זו הסיבה שיהלום יכול להיות מבודד חשמלי אך עדיין בעל מוליכות תרמית גבוהה להפליא.

דבר נוסף שכדאי לזכור: חלק מהחומרים הם אניזוטרופיים. קחו לדוגמה את הגרפיט-המוליכות התרמית שלו משתנה בהתאם לאיזה כיוון אתה מודד. ואז יש גימור פני השטח, טוהר וטמפרטורה; כל אלה יכולים לשנות את הביצועים. אם אתה מציג זיהומים או פגמים, אתה תראה ירידה במוליכות כמעט מיד.

מהנדסים גם בוחנים כיצד חומרים משחקים יחד. אם אתה מתמודד עם מערכות שמתחממות ומתקררות הרבה, הבדלים בהתפשטות תרמית יכולים לגרום ללחץ מכני-או אפילו לגרום לדברים להיכשל. אז זה באמת פעולת איזון, לא רק משחק מספרים.

גופי חום נחושת

יישומים בתעשיות מודרניות
 

חומרים מוליכות תרמית גבוהה ממלאים תפקיד עצום בכל מיני תעשיות. קח לדוגמא את האלקטרוניקה,-צלורי חום, רפידות תרמיות ומערכות קירור למעבדי מעבדים ו-GPUs תלויים כולם בחומרים האלה כדי שהדברים יפעלו בצורה חלקה. נחושת ואלומיניום נמצאים כאן בכל מקום. הם זולים, קל לעבוד איתם והם עושים את העבודה.

כאשר אתה מסתכל על אנרגיה מתחדשת, כמו ממירים סולאריים או אחסון סוללות, התרחקות מהירה של חום היא המפתח. אם לא, הביצועים יורדים וחלקים מתים מהר יותר. במכוניות ובמטוסים, זה פעולת איזון אחרת. אתה רוצה חומרים שמוליכים חום ממש טוב, אבל אתה גם רוצה שהם יהיו קלים, אז סגסוגות אלומיניום וחומרים מרוכבים מהודרים מנצחים.

אז יש לך את-הצד הטכנולוגי-מוליכים למחצה ומערכות לייזר-ששם רק הטובים ביותר יצליחו. זה המקום שבו יהלומים ואלומיניום ניטריד נכנסים לתמונה. חומרים אלה מטפלים בחום קיצוני ללא זיעה ונשארים יציבים גם כשהדברים נעשים אינטנסיביים.

כאשר מכשירים נעשים קטנים וחזקים יותר מדי שנה, תמיד יש דחיפה לחומרים תרמיים טובים עוד יותר. זה מוביל לכמה פריצות דרך מגניבות, כמו חומרים מרוכבים חדשים וננו-חומרים שמטפלים בחום כמו כלום.

מגמות עתידיות וחידושים חומריים
 

הדור הבא של חומרים מוליכות תרמית גבוהה עוצב על ידי חומרים מרוכבים מתקדמים ופריצות דרך בננוטכנולוגיה. מדענים מתרכזים בחומרים כמו גרפן, ננו-צינוריות פחמן ובורון ארסניד-כל אלה דוחפים את הגבולות בכל הנוגע להזזת חום, במיוחד בקנה מידה ננו. קחו למשל צינורות פחמן. בהגדרות המעבדה, הם הראו את-ה-תרשימים מוליכות תרמית, לפעמים מעל 6000 W/m·K.

אבל לא מדובר רק בחומרים בודדים. אנשים מערבבים מתכות עם קרמיקה או טווים במבנים מבוססי פחמן- כדי ליצור היברידיות שמאזנות חוזק וניהול חום. טכניקות ייצור חדשות כמו ייצור תוספים מאפשרות למהנדסים לעצב גופי קירור בצורות שפשוט לא היו אפשריות קודם לכן, מה שסוחט עוד יותר יעילות.

האלקטרוניקה ממשיכה להיות קטנה וחזקה יותר, כך שהמירוץ הזה לניהול תרמי חכם יותר לא מאט. השיפורים האלה לא רק מעניינים על הנייר-הם משנים את המשחק עבור כלי רכב חשמליים,-מרכזי נתונים יעילים במיוחד ומחשוב בעל ביצועים- גבוהים. אם אתה רוצה לדעת לאן הולך העתיד, הוא כנראה פועל קריר מתמיד.

טבלת סיכום

PowerWinxהינה יצרנית מקצועית המתמחה בפתרונות ניהול תרמיים מתקדמים, לרבות גופי קירור מאלומיניום ונחושת, גופי קירור עם סנפיר מחולק וצלחות קרות נוזליות. עם מומחיות חזקה בטכנולוגיות יציקה, עיבוד CNC והלחמה, PowerWinx מספקת פתרונות קירור-גבוהים, חסכוניים-המותאמים לתעשיות כגון אלקטרוניקה, אנרגיה מתחדשת ויישומי רכב.

ISO 9001 / IATF 16949