Innen termisk styring er "termisk ledningsevne" uten tvil den hyppigst nevnte og lettest overdrevne parameteren. Når et materiale er merket "høy termisk ledningsevne", antas det ofte å ha utmerket varmeavledningsevne som standard. Men i virkelige-ingeniørapplikasjoner er situasjonen langt mer kompleks.
Først og fremst må et grunnleggende konsept klargjøres: termisk ledningsevne er en hovedegenskap for materialet, mens varmespredning er et grensespørsmål på system{0}nivå. Termisk ledningsevne beskriver hvor raskt varme overføres i selve materialet, mens varmespredning avhenger av om varme effektivt kan fjernes fra materialets overflate og slippes ut i omgivelsene. Selv om et materiale har eksepsjonell termisk ledningsevne, hvis varmen som når overflaten ikke kan sendes ut raskt over grensen, vil sluttresultatet være samtidig temperaturøkning i både materialet og hele systemet.
Nettopp derfor, i mange applikasjonsscenarier, betyr "rask varmeledning" ofte bare at temperaturensartethet oppnås raskere-men det betyr ikke nødvendigvis lavere systemtemperaturer. For virkelig å forstå den tekniske verdien av et termisk grensesnittmateriale, må man være oppmerksom på flere ytterligere kritiske indikatorer.
01 Spesifikk varmekapasitet og termisk diffusjon
Hvorvidt et materiale er egnet for varmeavledning bestemmes ikke av termisk ledningsevne alene; spesifikk varmekapasitet og termisk diffusivitet er like viktige faktorer som ikke kan overses.
Spesifikk varmekapasitet refererer til mengden varme som kreves for å heve temperaturen på en enhetsmasse av materialet med 1 grad. Materialer med lav spesifikk varmekapasitet opplever rask temperaturøkning ved å absorbere en liten mengde varme og mangler evnen til å "lagre varme og buffertemperaturøkninger." Motsatt, for intermitterende varmekilder som involverer start-stoppsykluser, pulser eller lastsvingninger, kan materialer med høy spesifikk varmekapasitet ofte tjene som et mer effektivt "termisk bufferreservoar."
Termisk diffusivitet er en omfattende indikator som beskriver et materiales evne til å oppnå ensartet temperatur under oppvarmings- eller kjøleprosesser. Det reflekterer i hovedsak hastigheten som varmen forplanter seg gjennom materialet med. Termisk diffusivitet bestemmes av termisk ledningsevne, tetthet og spesifikk varmekapasitet, uttrykt som:
Termisk diffusivitet=Termisk konduktivitet / (tetthet × spesifikk varmekapasitet) , med enheter på m²/s.
Sammenlignet med termisk ledningsevne alene, har termisk diffusivitet større ingeniørmessig betydning når man beskriver forbigående varmespredning. En høyere termisk diffusivitet innebærer at materialet både kan lede varme raskere og unngå skarpe lokale temperaturtopper på grunn av energiakkumulering.
For eksempel presenterer kobber- og CVD-diamantfilm en klassisk kontrast. Kobber har en varmeledningsevne på ca. 400 W/m·K, moderat spesifikk varmekapasitet og relativt høy tetthet. CVD-diamantfilm kan overstige 1000 W/m·K i termisk ledningsevne, men har lavere spesifikk varmekapasitet og mindre tetthet. I visse forbigående, høy-varme-flux-applikasjoner kan diamantfilm-med sin ekstremt høye termiske diffusivitet-undertrykke dannelsen av hot spot raskere. Imidlertid, i scenarier som krever en viss termisk lagringskapasitet, kan dens totale varmekapasitet fortsatt komme til kort sammenlignet med en bulkere kobberblokk.
02 Anisotropisk termisk ledningsevne
Deretter bør du vurdere grafitt, grafen og pyrolytisk grafitt-materialer som har fått betydelig oppmerksomhet de siste årene. Disse materialene viser vanligvis sterke anisotropiske varmeledningsegenskaper: deres varmeledningsevne i-plan kan nå så høy som 1500–2000 W/m·K, mens termisk ledningsevne gjennom-tykkelse ofte kun måler 5–20 W/m·K.
Hvis varmestrømretningen ikke stemmer overens med materialets dominerende termiske akse, kan den såkalte -«ultra-høye termiske konduktiviteten» nesten direkte oppheves. I praktisk materialdesign og fabrikasjon er styring av fyllstofforientering ofte avhengig av ekstern feltinduksjon eller spesifikke prosesseringsteknikker. For eksempel, ved å utnytte forskjeller i magnetiske eller elektriske egenskaper til fyllstoffer, kan et påført magnetisk eller elektrisk felt indusere retningsbestemt justering av lamellstrukturer for å konstruere vertikale termiske-høyhastighetsbaner. Alternativt, under prosesser som bladbelegg, ekstruderingsstøping eller fiberoverføring, kan skjærkrefter fremme horisontal innretting av flak langs strømningsretningen. Bare gjennom presis orienteringskontroll kan fonontransport effektivt rettes langs den primære termiske aksen, og dermed virkelig konvertere et materiales anisotrope fordeler til merkbar varmeavledningsytelse i sluttprodukter.
03 Andre kritiske faktorer på systemnivå
Når varmen endelig når det "siste trinnet med spredning", er ikke lenger de iboende egenskapene til materialet de eneste hovedpersonene. Overflateemissivitet, overflatemorfologi og tilstedeværelsen av effektive konveksjonsforhold påvirker alle det endelige varmespredningsresultatet betydelig.
Ta aluminium som et eksempel: det samme substratmaterialet kan ha drastisk forskjellig varmeavledningsytelse avhengig av overflatetilstanden. I naturlige konveksjons- eller vakuummiljøer har en speil-polert aluminiumsoverflate ekstremt lav emissivitet, noe som hindrer strålingsvarmespredning. I motsetning til dette, etter anodisering, påføring av belegg eller overflateruing, kan aluminiumsoverflatens emissivitet økes betydelig, og derved forbedre strålingskjøleevnen markant.
Videre er det et problem som ofte blir oversett i ingeniørpraksis: mange termiske grensesnittmaterialer (TIM) fungerer faktisk som grensesnittkomponenter i et system. Vanlige produkter som termisk fett, mellomromsputer og fase{1}}forandringsmaterialer henter ikke bare sin verdi fra den store termiske ledningsevnen. Mer kritisk ligger verdien deres i deres evne til å konsekvent og pålitelig eliminere luftspalter og redusere termisk kontaktmotstand på lang sikt.
I systemer i den virkelige-verden kan termisk motstand mot grensesnitt utgjøre 30 % til 70 % av den totale termiske motstanden-påvirkningen kan til og med oppveie forskjeller i bulk termisk ledningsevne til de involverte materialene. I denne sammenheng er de viskoelastiske egenskapene til materialet spesielt viktige. Faktorer som kompresjonsdeformasjonsevne, spenningsavslappende egenskaper og langsiktig-krypeatferd påvirker alle direkte materialets driftsstabilitet og pålitelighet under vedvarende mekanisk trykk.