مواد الموصلية الحرارية العالية

مقدمة

تعتبر المواد ذات الموصلية الحرارية العالية ذات أهمية كبيرة في عالم الهندسة اليوم. تراها في كل مكان-داخل الأجهزة الإلكترونية، والسيارات، وأنظمة الطاقة، وجميع أنواع الآلات الصناعية. في الأساس، الموصلية الحرارية هي مدى قدرة المادة على نقل الحرارة من نقطة إلى أخرى، ويتم قياسها عادةً بالواط لكل متر - كلفن (W/m·K).

إذا كانت المادة تنقل الحرارة بسرعة، فهذا يساعد في الحفاظ على برودة الأشياء وعملها بسلاسة. ولهذا السبب يحظى النحاس والألومنيوم بشعبية كبيرة؛ إنهم يقومون بعمل عظيم، ولا يكسرون البنك. ولكن عندما تحتاج إلى تعزيز الأداء إلى أبعد من ذلك، فهناك خيارات متقدمة مثل الماس والجرافيت.

فالألماس، على سبيل المثال، ينفخ معظم المعادن خارج الماء بموصلية حرارية تتراوح بين 1000 و2200 واط/م·ك. لذا، فإن معرفة المواد التي تقوم بذلك يجعل من السهل جدًا اختيار المادة المناسبة لأحواض الحرارة وأنظمة التبريد الأخرى.

بالوعة الحرارة الألومنيوم

تصنيف المواد ذات التوصيل الحراري العالي
 

عندما يتعلق الأمر بالمواد التي تنقل الحرارة جيدًا، فلديك أربع مجموعات رئيسية: المعادن، والسيراميك، والمواد القائمة على الكربون-، والمواد المركبة. تعتبر المعادن-الاستخدام الأمثل لمعظم الصناعات نظرًا لأنها ليست فقط جيدة في توصيل الحرارة-كما أنها سهلة التشكيل والتعامل معها. تأتي الفضة والنحاس على رأس القائمة، حيث تبلغ الفضة حوالي 429 واط/م·ك، والنحاس قريب من 401. والألومنيوم ليس بعيدًا أيضًا، عند 237. والسيراميك مثل نيتريد الألومنيوم وكربيد السيليكون يسحبان الخدمة المزدوجة-يتعاملان مع الحرارة بشكل جيد ويعزلان ضد الكهرباء، مما يجعلها مثالية لأمعاء الإلكترونيات.

والآن أصبحت المواد التي تعتمد على الكربون-فئة خاصة بها. فكر في الجرافيت والماس. يمكن أن يصل الجرافيت إلى حوالي 150 واط/م · كلفن، لكن الألماس يترك كل شيء آخر في الغبار مع أدائه. ثم لديك مركبات، مثل النحاس-الألماس أو الألمنيوم-الجرافيت. أصبحت هذه الخلطات أكثر شعبية لأنها تسمح للمهندسين بتعديل الصفات الحرارية والميكانيكية لتناسب ما يحتاجون إليه. في النهاية، الأمر كله يتعلق باختيار المادة المناسبة للمهمة-والموازنة بين أشياء مثل التكلفة والوزن والموصلية ومدى سهولة تصنيع الجزء فعليًا.

الخصائص الرئيسية وعوامل الأداء
 

لا تعتمد المواد ذات الموصلية الحرارية العالية فقط على أرقام الموصلية الخاصة بها. هناك مزيج كامل من العوامل المؤثرة-الانتشار الحراري، والكثافة، والحرارة النوعية، وحتى مدى تمدد المادة بالحرارة، وكلها أمور مهمة في مواقف الحياة-الواقعية. تنقل المعادن الحرارة بشكل رئيسي باستخدام إلكتروناتها الحرة، بينما تستخدم المعادن غير -مثل الماس اهتزازات في شبكتها، المعروفة باسم الفونونات. ولهذا السبب يمكن أن يكون الماس عازلًا كهربائيًا ولكن لا يزال يتمتع بموصلية حرارية عالية بشكل لا يصدق.

شيء آخر يجب أخذه في الاعتبار: بعض المواد متباينة الخواص. لنأخذ الجرافيت على سبيل المثال-تتغير موصليته الحرارية وفقًا للاتجاه الذي تقيسه. ثم هناك تشطيب السطح، والنقاء، ودرجة الحرارة؛ كل هذه يمكن أن تغير الأداء. إذا أدخلت شوائب أو عيوب، فستلاحظ انخفاضًا في الموصلية على الفور تقريبًا.

ينظر المهندسون أيضًا إلى كيفية تفاعل المواد معًا. إذا كنت تتعامل مع أنظمة تسخن وتبرد كثيرًا، فإن الاختلافات في التمدد الحراري يمكن أن تسبب إجهادًا ميكانيكيًا-أو حتى تؤدي إلى فشل الأشياء. لذا، فهي حقًا عملية توازن، وليست مجرد لعبة أرقام.

بالوعة الحرارة النحاسية

تطبيقات في الصناعات الحديثة
 

تلعب مواد التوصيل الحراري العالية دورًا كبيرًا في جميع أنواع الصناعات. خذ الإلكترونيات، على سبيل المثال-المشتتات الحرارية، والوسادات الحرارية، وأنظمة التبريد لوحدات المعالجة المركزية (CPU) ووحدات معالجة الرسومات (GPU) كلها تعتمد على هذه المواد للحفاظ على سير الأمور بسلاسة. النحاس والألومنيوم موجودان في كل مكان هنا. إنهم رخيصون، وسهل العمل معهم، وينجزون المهمة.

عندما تنظر إلى الطاقة المتجددة، مثل محولات الطاقة الشمسية أو تخزين البطاريات، فإن نقل الحرارة بسرعة بعيدًا هو المفتاح. إذا لم تقم بذلك، سينخفض ​​الأداء وتنتهي الأجزاء بشكل أسرع. في السيارات والطائرات، هناك توازن مختلف. أنت تريد مواد موصلة للحرارة بشكل جيد، ولكنك تريدها أيضًا أن تكون خفيفة، بحيث تكون الغلبة لسبائك الألومنيوم والمركبات الفاخرة.

ثم لديك -الجانب التكنولوجي العالي-أشباه الموصلات وأنظمة الليزر-حيث لن يفي بالغرض سوى الأفضل. وهنا يأتي دور نيتريد الألماس والألومنيوم. تتعامل هذه المواد مع الحرارة الشديدة بدون عرق وتبقى ثابتة حتى عندما تشتد الأمور.

نظرًا لأن الأجهزة تصبح أصغر حجمًا وأكثر قوة كل عام، هناك دائمًا دافع نحو مواد حرارية أفضل. وهذا يقودنا إلى بعض الاكتشافات الرائعة، مثل المركبات الجديدة والمواد النانوية التي تتعامل مع الحرارة بشكل لم يسبق له مثيل.

الاتجاهات المستقبلية والابتكارات المادية
 

يتم تشكيل الجيل القادم من المواد عالية التوصيل الحراري من خلال مركبات متقدمة واختراقات في تكنولوجيا النانو. يركز العلماء اهتمامهم على مواد مثل الجرافين، وأنابيب الكربون النانوية، وزرنيخيد البورون-، وكلها تجاوزت الحدود عندما يتعلق الأمر بنقل الحرارة، خاصة على المستوى النانوي. لنأخذ على سبيل المثال أنابيب الكربون النانوية. في إعدادات المختبر، أظهروا -الرسوم البيانية -الموصلية الحرارية، والتي تزيد أحيانًا عن 6000 واط/م·ك.

لكن الأمر لا يتعلق فقط بالمواد المفردة. يقوم الناس بخلط المعادن مع السيراميك أو نسج الهياكل القائمة على الكربون-لتصنيع هياكل هجينة توازن بين القوة وإدارة الحرارة. تتيح تقنيات التصنيع الجديدة مثل التصنيع الإضافي للمهندسين تصميم المشتتات الحرارية بأشكال لم تكن ممكنة من قبل، مما يؤدي إلى زيادة الكفاءة.

تستمر الإلكترونيات في أن تصبح أصغر حجمًا وأكثر قوة، لذا فإن هذا السباق من أجل إدارة حرارية أكثر ذكاءً لا يتباطأ. هذه التحسينات ليست مثيرة للاهتمام على الورق فحسب-إنها تغير قواعد اللعبة بالنسبة للسيارات الكهربائية، ومراكز البيانات-الفعالة للغاية، والحوسبة-عالية الأداء. إذا كنت تريد أن تعرف إلى أين يتجه المستقبل، فمن المحتمل أن يكون أكثر برودة من أي وقت مضى.

جدول ملخص

باور وينكسهي شركة مصنعة محترفة متخصصة في حلول الإدارة الحرارية المتقدمة، بما في ذلك أحواض الحرارة المصنوعة من الألومنيوم والنحاس، وأحواض الحرارة ذات الزعانف المسطحة، والألواح الباردة السائلة. بفضل الخبرة القوية في صب القوالب، والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي، وتقنيات اللحام بالنحاس، توفر PowerWinx حلول تبريد عالية الأداء-وفعالة من حيث التكلفة-مصممة خصيصًا لصناعات مثل الإلكترونيات والطاقة المتجددة وتطبيقات السيارات.

آيزو 9001 / آي تي ​​إف 16949