اصول کلیدی و کاربردهای هدایت حرارتی در فلزات

هدایت حرارتی به انتقال انرژی حرارتی در یک شی یا بین اشیاء در تماس به دلیل تفاوت های دمایی اشاره دارد. این فرآیند بدون حرکت کلان ماده رخ می دهد،که به جای آن به تعاملات ذرات میکروسکوپی تکیه می کنددو مکانیسم اصلی باعث هدایت حرارتی می شوند:

• حرکت الکترون آزاد:در فلزات، الکترون های متحرک در مناطق گرم تر انرژی به دست می آورند و آن را از طریق برخورد با اتم ها به مناطق سرد تر حمل می کنند.
• ارتعاشات اتمی / مولکولی (فونون):در مواد غیر فلزی، انتقال گرما از طریق لرزش های شبکه ای است که به عنوان فونون ها گسترش می یابد.

گرما همیشه از مناطق با دمای بالاتر به مناطق با دمای پایین تر جریان می یابد تا زمانی که به تعادل برسد.این پدیده هم در داخل اشیاء و هم بین سطوح تماس رخ می دهد - به عنوان مثال زمانی که دست های گرم یک فنجان قهوه داغ را بگیرند.

رسانایی حرارتی (k) توانایی انتقال گرما یک ماده را تعیین می کند، که به عنوان جریان گرما در هر گریان درجه حرارت واحد تعریف شده است. معادله حاکم این است:

جایی که q جریان حرارتی (W / m2) را نشان می دهد ، k هادی حرارتی (W / ((m · K)) است و dT / dx گرادیانت دما (K / m) را نشان می دهد. مقادیر بالاتر k نشان دهنده ظرفیت انتقال حرارتی برتر است.

به طور کلی، مواد جامد هدایت حرارتی بیشتری نسبت به مایعات دارند که در هدایت از گازها فراتر می روند.این سلسله مراتب ناشی از تراکم بسته بندی مولکولی است - ساختارهای محکم تنظیم شده جامد باعث انتقال انرژی کارآمدتر می شودبه عنوان مثال، رسانایی پایین هوا (≈0.024 W / (((m · K)) آن را برای عایق بندی ایده آل می کند، در حالی که رسانایی بالا فلزات برای کاربردهای بخاری مناسب است.

سه حالت انتقال گرما با اصول فیزیکی متفاوت کار می کنند:

• هدایت:انتقال گرما از طریق تماس مستقیم بدون حرکت مواد
• محرک:انتقال گرما از طریق حرکت مایعات (به عنوان مثال، سیستم های HVAC گردش هوا)
• تشعشعات:انتقال امواج الکترومغناطیسی (به طور عمده مادۀ مادۀ مادۀ قرمز) ، بدون نیاز به واسطه (به عنوان مثال، گرمایش خورشیدی)

اکثر سناریوهای عملی شامل مکانیسم های ترکیبی انتقال گرما هستند که همزمان بر توزیع دما تأثیر می گذارند.

رسانایی استثنایی فلزات ناشی از ابرهای الکترونی خارج از محل آنها است. هنگامی که گرم می شوند، این الکترون های متحرک به سرعت انرژی حرارتی را از طریق شبکه از طریق برخورد پخش می کنند.اين انتقال الکتروني ثابت مي کند که نسبت به رسانايي فونون در غير فلزات، توضیح عملکرد حرارتی غالب فلزات.

فلزات رایج دارای تغییرات قابل توجهی در رسانایی در دمای اتاق هستند:

• نقره (Ag):۴۲۹ وات/م.ک.
• مس (Cu):۴۱۰ وات/م.ک.
• طلا (Au):۳۱۷ ولت/م.ک.
• آلومینیوم (Al):۲۳۷ ولت/میلی ولت
• آهن (Fe):80 W/m·K
• از فولاد ضد زنگ:16 W/m·K

در حالی که نقره در رسانایی پیشرو است، هزینه های آن را محدود می کند به کاربردهای تخصصی.به دلیل عملکرد متعادل و اقتصاد. رسانایی پایین فولاد ضد زنگ مناسب نیاز های عایق حرارتی مانند ظروف آشپزی و ظروف ذخیره سازی است.

انتخاب مطلوب فلز نیاز به ارزیابی چند معیاری دارد:

• نیاز به رسانایی بالا:آلومینیوم (خفیف وزن، اقتصادی) یا مس (کارایی برتر) برای خنک سازی الکترونیک
• مقاومت در برابر خوردگی:فولاد ضد زنگ یا آلیاژ های ویژه برای پردازش شیمیایی
• الزامات ساختاری:فولاد برای اجزای تحمل کننده با وجود رسانایی متوسط
• بهینه سازی عملکرد:انتخاب آلیاژ برای مبادلات گرما، تعادل رسانایی، قدرت و مقاومت در برابر خوردگی

کامپوزیت های پیشرفته مزایای مواد را برای مدیریت حرارتی بهبود یافته ترکیب می کنند. نمونه هایی از آنها عبارتند از:

• هیبرید های آلومینیوم و فولاد ضد زنگ که رسانایی را با قدرت ترکیب می کنند
• کامپوزیت های تقویت شده با فیبر کربن که نسبت رسانایی به وزن بسیار بالایی دارند

این نوآوری ها وعده راه حل های حرارتی تبدیل کننده در سراسر صنایع را می دهند.