Στον τομέα της θερμικής διαχείρισης, η «θερμική αγωγιμότητα» είναι αναμφισβήτητα η πιο συχνά αναφερόμενη και πιο εύκολα υπερβάλλουσα παράμετρος. Από τη στιγμή που ένα υλικό φέρει την ένδειξη "υψηλή θερμική αγωγιμότητα", συχνά θεωρείται ότι διαθέτει εξαιρετική ικανότητα απαγωγής θερμότητας από προεπιλογή. Ωστόσο, σε πραγματικές-εφαρμογές μηχανικής, η κατάσταση είναι πολύ πιο περίπλοκη.
Πρώτα και κύρια, πρέπει να διευκρινιστεί μια θεμελιώδης έννοια: η θερμική αγωγιμότητα είναι μια μαζική ιδιότητα του υλικού, ενώ η απαγωγή θερμότητας είναι ένα ζήτημα ορίων επιπέδου συστήματος. Η θερμική αγωγιμότητα περιγράφει πόσο γρήγορα μεταφέρεται η θερμότητα μέσα στο ίδιο το υλικό, ενώ η απαγωγή θερμότητας εξαρτάται από το εάν η θερμότητα μπορεί να αφαιρεθεί αποτελεσματικά από την επιφάνεια του υλικού και να απελευθερωθεί στο περιβάλλον περιβάλλον. Ακόμα κι αν ένα υλικό μπορεί να υπερηφανεύεται για εξαιρετική θερμική αγωγιμότητα, εάν η θερμότητα που φτάνει στην επιφάνειά του δεν μπορεί να αποβληθεί αμέσως πέρα από τα όρια, το τελικό αποτέλεσμα θα είναι η ταυτόχρονη αύξηση της θερμοκρασίας τόσο στο υλικό όσο και σε ολόκληρο το σύστημα.
Ακριβώς για αυτόν τον λόγο, σε πολλά σενάρια εφαρμογών, η "ταχεία αγωγιμότητα θερμότητας" συχνά σημαίνει απλώς ότι η ομοιομορφία θερμοκρασίας επιτυγχάνεται πιο γρήγορα-αλλά δεν μεταφράζεται απαραίτητα σε χαμηλότερες θερμοκρασίες συστήματος. Για να κατανοήσουμε πραγματικά τη μηχανική αξία ενός υλικού θερμικής διεπαφής, πρέπει να δώσουμε προσοχή σε αρκετούς πρόσθετους κρίσιμους δείκτες.
01 Ειδική Θερμοχωρητικότητα και Θερμική Διάχυση
Το αν ένα υλικό είναι κατάλληλο για απαγωγή θερμότητας δεν καθορίζεται μόνο από τη θερμική αγωγιμότητα. Η ειδική θερμοχωρητικότητα και η θερμική διάχυση είναι εξίσου σημαντικοί παράγοντες που δεν μπορούν να παραβλεφθούν.
Η ειδική θερμοχωρητικότητα αναφέρεται στην ποσότητα θερμότητας που απαιτείται για να αυξηθεί η θερμοκρασία μιας μονάδας μάζας του υλικού κατά 1 βαθμό. Τα υλικά με χαμηλή ειδική θερμοχωρητικότητα παρουσιάζουν ταχεία άνοδο της θερμοκρασίας όταν απορροφούν μικρή ποσότητα θερμότητας και δεν έχουν την ικανότητα να "αποθηκεύουν θερμότητα και αυξήσεις θερμοκρασίας ρυθμιστή". Αντίθετα, για διαλείπουσες πηγές θερμότητας που περιλαμβάνουν κύκλους εκκίνησης-διακοπής, παλμούς ή διακυμάνσεις φορτίου, τα υλικά με υψηλή ειδική θερμική χωρητικότητα μπορούν συχνά να χρησιμεύσουν ως πιο αποτελεσματική "δεξαμενή θερμικής προσωρινής αποθήκευσης".
Η θερμική διάχυση είναι ένας ολοκληρωμένος δείκτης που περιγράφει την ικανότητα ενός υλικού να επιτυγχάνει ομοιομορφία θερμοκρασίας κατά τη διάρκεια των διαδικασιών θέρμανσης ή ψύξης. Ουσιαστικά αντανακλά την ταχύτητα με την οποία η θερμότητα διαδίδεται μέσω του υλικού. Η θερμική διάχυση καθορίζεται από τη θερμική αγωγιμότητα, την πυκνότητα και την ειδική θερμοχωρητικότητα, εκφραζόμενη ως:
Θερμική διάχυση=Θερμική αγωγιμότητα / (Πυκνότητα × Ειδική Θερμική Ικανότητα) , με μονάδες m²/s.
Σε σύγκριση με τη θερμική αγωγιμότητα μόνο, η θερμική διάχυση έχει μεγαλύτερη μηχανική σημασία όταν περιγράφει τη συμπεριφορά παροδικής απαγωγής θερμότητας. Μια υψηλότερη θερμική διάχυση σημαίνει ότι το υλικό μπορεί να μεταφέρει τη θερμότητα πιο γρήγορα και να αποφύγει απότομες τοπικές αιχμές θερμοκρασίας λόγω συσσώρευσης ενέργειας.
Για παράδειγμα, ο χαλκός και το φιλμ διαμαντιών CVD παρουσιάζουν μια κλασική αντίθεση. Ο χαλκός έχει θερμική αγωγιμότητα περίπου 400 W/m·K, μέτρια ειδική θερμοχωρητικότητα και σχετικά υψηλή πυκνότητα. Το φιλμ διαμαντιού CVD μπορεί να ξεπεράσει τα 1000 W/m·K σε θερμική αγωγιμότητα, αλλά έχει χαμηλότερη ειδική θερμοχωρητικότητα και μικρότερη πυκνότητα. Σε ορισμένες παροδικές εφαρμογές υψηλής-θερμότητας-ροής, το φιλμ διαμαντιού-με την εξαιρετικά υψηλή θερμική διάχυση-μπορεί να καταστείλει πιο γρήγορα τον σχηματισμό θερμών σημείων. Ωστόσο, σε σενάρια που απαιτούν μια ορισμένη θερμική χωρητικότητα αποθήκευσης, η συνολική θερμική του χωρητικότητα μπορεί να είναι ακόμα χαμηλότερη σε σύγκριση με ένα πιο ογκώδες χάλκινο μπλοκ.
02 Ανισότροπη θερμική αγωγιμότητα
Στη συνέχεια, εξετάστε τον γραφίτη, το γραφένιο και τον πυρολυτικό γραφίτη-υλικά που έχουν κερδίσει σημαντική προσοχή τα τελευταία χρόνια. Αυτά τα υλικά παρουσιάζουν χαρακτηριστικά ισχυρά χαρακτηριστικά ανισότροπης θερμικής αγωγιμότητας: η θερμική αγωγιμότητά τους σε επίπεδο μπορεί να φτάσει τα 1500–2000 W/m·K, ενώ η θερμική αγωγιμότητα μέσω πάχους συχνά μετρά μόνο 5–20 W/m·K.
Εάν η κατεύθυνση ροής θερμότητας δεν ευθυγραμμίζεται με τον κυρίαρχο θερμικό άξονα του υλικού, η λεγόμενη-«υπερ-υψηλή θερμική αγωγιμότητα» μπορεί σχεδόν άμεσα να ακυρωθεί. Στον πρακτικό σχεδιασμό και την κατασκευή υλικών, ο έλεγχος του προσανατολισμού του πληρωτικού συχνά βασίζεται στην επαγωγή εξωτερικού πεδίου ή σε συγκεκριμένες τεχνικές επεξεργασίας. Για παράδειγμα, αξιοποιώντας τις διαφορές στις μαγνητικές ή ηλεκτρικές ιδιότητες των πληρωτικών, ένα εφαρμοζόμενο μαγνητικό ή ηλεκτρικό πεδίο μπορεί να προκαλέσει κατευθυντική ευθυγράμμιση των ελασματοειδών δομών για την κατασκευή κάθετων θερμικών μονοπατιών υψηλής-ταχύτητας. Εναλλακτικά, κατά τη διάρκεια διεργασιών όπως η επίστρωση λεπίδων, η χύτευση με εξώθηση ή η μεταφορά ινών, οι δυνάμεις διάτμησης μπορούν να προάγουν την οριζόντια ευθυγράμμιση των νιφάδων κατά μήκος της κατεύθυνσης ροής. Μόνο μέσω ακριβούς ελέγχου προσανατολισμού μπορεί η μεταφορά φωνονίων να κατευθυνθεί αποτελεσματικά κατά μήκος του πρωτεύοντος θερμικού άξονα, μετατρέποντας έτσι πραγματικά τα ανισότροπα πλεονεκτήματα ενός υλικού σε αισθητή απόδοση απαγωγής θερμότητας στα τελικά προϊόντα.
03 Άλλοι κρίσιμοι παράγοντες σε επίπεδο συστήματος
Όταν τελικά η θερμότητα φτάνει στο «τελευταίο βήμα της διάχυσης», οι εγγενείς ιδιότητες του υλικού δεν είναι πλέον οι μοναδικοί πρωταγωνιστές. Η επιφανειακή εκπομπή, η μορφολογία της επιφάνειας και η παρουσία αποτελεσματικών συνθηκών μεταφοράς επηρεάζουν σημαντικά το τελικό αποτέλεσμα απαγωγής θερμότητας.
Πάρτε για παράδειγμα το αλουμίνιο: το ίδιο υλικό υποστρώματος μπορεί να παρουσιάσει δραστικά διαφορετική απόδοση απαγωγής θερμότητας ανάλογα με την κατάσταση της επιφάνειάς του. Σε περιβάλλοντα φυσικής μεταφοράς ή κενού, μια επιφάνεια{1}}γυαλισμένη με καθρέφτη αλουμινίου έχει εξαιρετικά χαμηλή εκπομπή, η οποία εμποδίζει τη διάχυση της ακτινοβολίας θερμότητας. Αντίθετα, μετά την ανοδίωση, την εφαρμογή επίστρωσης ή την τραχύτητα της επιφάνειας, η εκπομπή της επιφάνειας αλουμινίου μπορεί να αυξηθεί σημαντικά, βελτιώνοντας έτσι σημαντικά την ικανότητα ψύξης με ακτινοβολία.
Επιπλέον, υπάρχει ένα ζήτημα που συχνά παραβλέπεται στη μηχανική πρακτική: πολλά υλικά θερμικής διεπαφής (TIMs) στην πραγματικότητα χρησιμεύουν ως στοιχεία διεπαφής μέσα σε ένα σύστημα. Τα κοινά προϊόντα, όπως τα θερμικά γράσα, τα μαξιλαράκια διάκενου και τα υλικά αλλαγής φάσης- αντλούν την αξία τους όχι μόνο από τη μαζική θερμική αγωγιμότητά τους. Πιο κρίσιμο, η αξία τους έγκειται στην ικανότητά τους να εξαλείφουν με συνέπεια και αξιοπιστία τα κενά αέρα και να μειώνουν τη θερμική αντίσταση επαφής μακροπρόθεσμα.
Στα πραγματικά-συστήματα, η θερμική αντίσταση διεπιφανειών μπορεί να αντιπροσωπεύει το 30% έως 70% της συνολικής θερμικής αντίστασης-ο αντίκτυπός της μπορεί ακόμη και να αντισταθμίσει τις διαφορές στη θερμική αγωγιμότητα του όγκου των εμπλεκόμενων υλικών. Σε αυτό το πλαίσιο, οι ιξωδοελαστικές ιδιότητες του υλικού είναι ιδιαίτερα σημαντικές. Παράγοντες όπως η ικανότητα συμπιεστικής παραμόρφωσης, τα χαρακτηριστικά χαλάρωσης της τάσης και η μακροπρόθεσμη συμπεριφορά ερπυσμού επηρεάζουν άμεσα τη σταθερότητα και την αξιοπιστία του υλικού υπό παρατεταμένη μηχανική πίεση.