Os 7 principais condutores de calor

Os principais condutores de calor são metais e diamantes, compostos de matriz metálica, compostos de matriz de carbono, compostos de matriz de carbono, grafite e cerâmica.

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 da espessura da unidade de um material – em uma direção normal para a superfície da área da unidade – devido a um gradiente de temperatura unitário em condições de estado estacionário »(The Engineering ToolBox, SF).

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Em outras palavras, condução térmica é a transferência de energia térmica entre partículas de matéria que 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.

Dirigir 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.

Os metais são especialmente bons condutores térmicos porque possuem elétrons que se movem livremente e podem transferir energia de calor rápida e facilmente (CK-12 Foundation, SF).

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 que no corpo mais frio. Se duas moléculas colidem, há uma transferência de energia da molécula quente para a fria.

O efeito cumulativo de todas as colisões resulta em um fluxo líquido de calor do corpo quente para o corpo mais frio (SantoPietro, SF).

Materiais de alta condutividade térmica

Materiais de alta condutividade térmica são necessários para a condução do calor, a fim de aquecer ou esfriar. Uma das necessidades mais críticas é a indústria eletrônica.

Devido à miniaturização e ao aumento da potência da microeletrônica, a dissipação de calor é essencial para a confiabilidade, desempenho e 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 são necessários materiais com alta condutividade térmica.

No entanto, o cobre assume um alto valor de coeficiente de expansão térmica (TEC). A liga Invar (64% Fe ± 36% Ni) é excepcionalmente baixa em TEC entre os metais, mas é muito pobre em condutividade térmica.

O diamante é mais atraente, pois possui uma condutividade térmica muito alta e um CET baixo, mas é caro (Condutividade Térmica, SF).

O alumínio não é tão condutor como o cobre, mas tem uma baixa densidade, o que é atraente para eletrônicos e aplicações aeronáuticas (por exemplo, laptops) que exigem baixo peso.

Os metais são condutores térmicos e elétricos. Para aplicações que exigem condutividade térmica e isolamento elétrico, diamantes e materiais cerâmicos apropriados, mas não metais, podem ser usados.

Compostos de matriz metálica

Uma maneira de reduzir a CTE de um metal é formar um composto de matriz de metal usando um material de enchimento com baixa CTE.

Partículas de cerâmica como AlN e carboneto de silício (SiC) são utilizadas para esse fim, devido à combinação de alta condutividade térmica e baixa CTE.

Como o material de enchimento normalmente tem um CTE mais baixo e uma condutividade térmica mais baixa do que a matriz metálica, quanto maior a fração do volume de carga no composto, menor o CTE e menor a condutividade térmica.

Compostos da matriz de carbono

O carbono é uma matriz atraente para compostos de condução térmica devido à sua condutividade térmica (embora não seja tão alta quanto a dos metais) e baixa CTE (menor que a dos metais).

Além disso, o carbono é resistente à corrosão (mais resistente à corrosão que os metais) e 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 a carga dominante para os compostos da matriz de carbono.

Carbono e grafite

Um material totalmente carbono fabricado pela consolidação de carvões precursores de carbono orientados sem ligante e subsequente carbonização e grafite opcional, possui uma condutividade térmica que varia de 390 a 750 W / mK na fibra do material.

Outro material é a grafite pirolítica (chamada TPG) encerrada em uma carcaça estrutural. A grafite (muito texturizada com os eixos c dos grãos, de preferência perpendicular ao plano da grafite), possui uma condutividade térmica no plano de 1700 W / m K (quatro vezes a do cobre), mas é mecanicamente fraca devido à tendência a corte no plano de grafite.

Compostos de matriz cerâmica

A matriz de vidro de borossilicato é atraente devido à sua constante dielétrica baixa (4.1) em comparação com a de AlN (8.9), alumina (9.4), SiC (42), BeO (6.8), 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 SiC é atraente devido ao seu alto CTE em comparação com a matriz de carbono, embora não seja tão termicamente condutora quanto o carbono.

O CTE dos compostos de carbono ± carbono é muito baixo, o que resulta em uma vida útil reduzida à fadiga em aplicações de chip-on-board (COB) com chips de sílica.

O composto de carbono da matriz SiC é composto por um composto carbono-carbono que converte a matriz de carbono em SiC (Chung, 2001).

Referências

  1. Chung, D. (2001). Materiais para condução térmica. Engenharia Térmica Aplicada 21 , 1593 ± 1605.
  2. Fundação CK-12. (SF). Condutores e isoladores térmicos . Obtido em ck12.org: ck12.org.
  3. Santo Pietro, D. (SF). O que é condutividade térmica? Obtido em khanacademy: khanacademy.org.
  4. A caixa de ferramentas de engenharia. (SF). Condutividade térmica de materiais e gases comuns . Recuperado de engineeringtoolbox: engineeringtoolbox.com.

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