В областта на топлинния мениджмънт "топлопроводимостта" е може би най-често споменаваният и най-лесно преувеличаван параметър. След като даден материал е етикетиран като "висока топлопроводимост", често се приема, че притежава отлична способност за разсейване на топлината по подразбиране. Въпреки това в инженерните-приложения в реалния свят ситуацията е много по-сложна.
Първо и най-важно трябва да се изясни една фундаментална концепция: топлопроводимостта е основно свойство на материала, докато разсейването на топлината е граничен проблем на-системно ниво. Топлинната проводимост описва колко бързо се предава топлината в самия материал, докато разсейването на топлината зависи от това дали топлината може да бъде ефективно отстранена от повърхността на материала и освободена в околната среда. Дори ако материалът може да се похвали с изключителна топлопроводимост, ако топлината, достигаща до повърхността му, не може да бъде незабавно изхвърлена през границата, крайният резултат ще бъде едновременно повишаване на температурата както в материала, така и в цялата система.
Точно поради тази причина в много сценарии на приложение „бързото топлопроводимост“ често просто означава, че еднородността на температурата се постига по-бързо-, но това не означава непременно по-ниски температури на системата. За да се разбере наистина инженерната стойност на материал за термичен интерфейс, трябва да се обърне внимание на няколко допълнителни критични индикатора.
01 Специфичен топлинен капацитет и топлопроводимост
Дали даден материал е подходящ за разсейване на топлината не се определя само от топлопроводимостта; специфичният топлинен капацитет и топлопроводимостта са еднакво важни фактори, които не могат да бъдат пренебрегнати.
Специфичният топлинен капацитет се отнася до количеството топлина, необходимо за повишаване на температурата на единица маса от материала с 1 градус. Материалите с нисък специфичен топлинен капацитет изпитват бързо покачване на температурата при абсорбиране на малко количество топлина и им липсва способността да "съхраняват топлина и да буферират повишаване на температурата". Обратно, за периодични източници на топлина, включващи старт-стоп цикли, импулси или колебания на натоварването, материалите с висок специфичен топлинен капацитет често могат да служат като по-ефективен „термичен буферен резервоар“.
Коефициентът на топлинна дифузия е изчерпателен показател, който описва способността на материала да постигне температурна равномерност по време на процеси на нагряване или охлаждане. По същество той отразява скоростта, с която топлината се разпространява през материала. Коефициентът на топлопроводимост се определя от топлопроводимостта, плътността и специфичния топлинен капацитет, изразени като:
Коефициент на топлопроводимост=Коефициент на топлопроводимост / (Плътност × Специфичен топлинен капацитет) , с единици m²/s.
В сравнение само с топлопроводимостта, коефициентът на топлинна дифузия има по-голямо инженерно значение, когато описва поведението на преходно разсейване на топлината. По-високият коефициент на топлинна дифузия предполага, че материалът може както да провежда топлината по-бързо, така и да избягва резки локални температурни пикове поради натрупване на енергия.
Например, медният и CVD диамантен филм представляват класически контраст. Медта има топлопроводимост от приблизително 400 W/m·K, умерен специфичен топлинен капацитет и относително висока плътност. CVD диамантен филм може да надхвърли 1000 W/m·K топлопроводимост, но има по-нисък специфичен топлинен капацитет и по-малка плътност. При определени преходни приложения с висок-топлинен-поток диамантеният филм-със своята изключително висока топлопроводимост-може да потисне по-бързо образуването на горещи точки. Въпреки това, в сценарии, изискващи определен капацитет за съхранение на топлина, общият му топлинен капацитет все още може да бъде недостатъчен в сравнение с по-обемист меден блок.
02 Анизотропна топлопроводимост
След това помислете за графит, графен и пиролитичен графит-материали, които привлякоха значително внимание през последните години. Тези материали обикновено проявяват силни характеристики на анизотропна топлопроводимост: тяхната -плоскостна топлопроводимост може да достигне до 1500–2000 W/m·K, докато -топлопроводимостта по дебелина често измерва само 5–20 W/m·K.
Ако посоката на топлинния поток не е подравнена с доминиращата топлинна ос на материала, така наречената{-„ултра-висока топлопроводимост“ може почти директно да бъде анулирана. В практическия дизайн и производство на материали контролирането на ориентацията на пълнителя често разчита на индукция на външно поле или специфични техники за обработка. Например, използвайки разликите в магнитните или електрическите свойства на пълнителите, приложеното магнитно или електрическо поле може да индуцира насочено подравняване на ламеларни структури за изграждане на високо-скоростни вертикални топлинни пътища. Като алтернатива, по време на процеси като нанасяне на острие, формоване чрез екструдиране или прехвърляне на влакна, силите на срязване могат да насърчат хоризонталното подравняване на люспите по посока на потока. Само чрез прецизен контрол на ориентацията може фононният транспорт да бъде ефективно насочен по протежение на първичната термична ос, като по този начин наистина преобразува анизотропните предимства на материала в осезаемо разсейване на топлината в крайните продукти.
03 Други критични фактори на системно ниво
Когато топлината най-накрая достигне „последната стъпка на разсейване“, присъщите свойства на материала вече не са единствените действащи лица. Коефициентът на излъчване на повърхността, морфологията на повърхността и наличието на ефективни конвективни условия влияят значително върху крайния резултат от разсейване на топлината.
Вземете алуминия като пример: един и същ материал на субстрата може да показва драстично различни характеристики на разсейване на топлината в зависимост от състоянието на повърхността му. В среда с естествена конвекция или вакуум огледално{1}}полираната алуминиева повърхност има изключително ниска излъчвателна способност, което възпрепятства радиационното разсейване на топлината. Обратно, след анодизиране, нанасяне на покритие или грапавост на повърхността, излъчвателната способност на алуминиевата повърхност може да бъде значително увеличена, като по този начин значително се подобрява способността за радиационно охлаждане.
Освен това има проблем, който често се пренебрегва в инженерната практика: много термични интерфейсни материали (TIM) всъщност служат като междинни компоненти в една система. Обичайни продукти като термични греси, подложки за междини и материали за-промяна на фазата извличат стойността си не само от общата си топлопроводимост. По-критично, тяхната стойност се крие в способността им последователно и надеждно да елиминират въздушните междини и да намалят контактното термично съпротивление в дългосрочен план.
В-системите от реалния свят междинното топлинно съпротивление може да представлява 30% до 70% от общото топлинно съпротивление-въздействието му може дори да надхвърли разликите в общата топлопроводимост на използваните материали. В този контекст вискоеластичните свойства на материала са особено важни. Фактори като способност за деформация при натиск, характеристики на релаксация на напрежението и дългосрочно-поведение при пълзене, всички те пряко влияят върху експлоатационната стабилност и надеждността на материала при продължително механично налягане.