隨著工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)發(fā)展,對材料提出更高的要求。除材料具有優(yōu)良的綜合性能之外,有些場合還要求材料具有導(dǎo)熱性能和優(yōu)良的電絕緣性能。如電磁屏蔽、電子信息、熱工測量技術(shù)領(lǐng)域廣泛使用的功率管、集成塊、熱管等;化工生產(chǎn)和廢水處理中使用的熱交換器、導(dǎo)熱管、太陽能熱水器、蓄電池的冷卻器等所需導(dǎo)熱絕緣材料;隨著微電子集成技術(shù)和組裝技術(shù)高速發(fā)展,電子元件、邏輯電路體積成千上萬倍地縮小,電子儀器日益輕薄短小化,而工作頻率急劇增加,半導(dǎo)體熱環(huán)境向高溫方向迅速變化,此時(shí)電子設(shè)備所產(chǎn)生的熱量迅速積累、增加,在使用環(huán)境溫度下要使電子元器件仍能高可靠性地正常工作,及時(shí)散熱能力成為影響其運(yùn)行的可靠性,使用壽命的重要因素,所以急需研制具有高可靠性、高散熱性的綜合性能優(yōu)異的導(dǎo)熱絕緣材料替代傳統(tǒng)材料。
怎么判斷導(dǎo)熱材料好不好呢
傅力葉方程式:
Q=KA△T/d,
R=A△T/Q Q: 熱量,W
K: 導(dǎo)熱率,W/mk
A:接觸面積
d: 熱量傳遞距離
△T:溫度差
R: 熱阻值
導(dǎo)熱率K是材料本身的固有性能參數(shù),用于描述材料的導(dǎo)熱能力。這個(gè)特性跟材料本身的大小、形狀、厚度都是沒有關(guān)系的,只是跟材料本身的成分有關(guān)系。所以同類材料的導(dǎo)熱率都是一樣的,并不會因?yàn)楹穸炔灰粯佣兓?
將上面兩個(gè)公式合并,可以得到 K=d/R。因?yàn)镵值是不變的,可以看得出熱阻R值,同材料厚度d是成正比的。也就說材料越厚,熱阻越大。
但如果仔細(xì)看一些導(dǎo)熱材料的資料,會發(fā)現(xiàn)很多導(dǎo)熱材料的熱阻值R,同厚度d并不是完全成正比關(guān)系。這是因?yàn)閷?dǎo)熱材料大都不是單一成分組成,相應(yīng)會有非線性變化。厚度增加,熱阻值一定會增大,但不一定是完全成正比的線性關(guān)系,可能是更陡的曲線關(guān)系。
根據(jù)R=A△T/Q這個(gè)公式,理論上來講就能測試并計(jì)算出一個(gè)材料的熱阻值R。但是這個(gè)公式只是一個(gè)最基本的理想化的公式,他設(shè)定的條件是:接觸面是完全光滑和平整的,所有熱量全部通過熱傳導(dǎo)的方式經(jīng)過材料,并達(dá)到另一端。
實(shí)際這是不可能的條件。所以測試并計(jì)算出來的熱阻值并不完全是材料本身的熱阻值,應(yīng)該是材料本身的熱阻值+所謂接觸面熱阻值。因?yàn)榻佑|面的平整度、光滑或者粗糙、以及安裝緊固的壓力大小不同,就會產(chǎn)生不同的接觸面熱阻值,也會得出不同的總熱阻值。
所以國際上流行會認(rèn)可設(shè)定一種標(biāo)準(zhǔn)的測試方法和條件,就是在資料上經(jīng)常會看到的ASTM
D5470。這個(gè)測試方法會說明進(jìn)行熱阻測試時(shí)候,選用多大的接觸面積A,多大的熱量值Q,以及施加到接觸面的壓力數(shù)值。大家都使用同樣的方法來測試不同的材料,而得出的結(jié)果,才有相比較的意義。
通過測試得出的熱阻R值,并不完全是真實(shí)的熱阻值。物理科學(xué)就是這樣,很多參數(shù)是無法真正的量化的,只是一個(gè)“模糊”的數(shù)學(xué)概念。通過這樣的“模糊”數(shù)據(jù),人們可以將一些數(shù)據(jù)量化,而用于實(shí)際應(yīng)用。此處所說的“模糊”
是數(shù)學(xué)術(shù)語,“模糊”表示最為接近真實(shí)的近似。
而同樣道理,根據(jù)熱阻值以及厚度,再計(jì)算出來的導(dǎo)熱率K值,也并不完全是真正的導(dǎo)熱率值。
傅力葉方程式,是一個(gè)完全理想化的公式。我們可用來理解導(dǎo)熱材料的原理。但實(shí)際應(yīng)用、熱阻計(jì)算是復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,會有很多的修正公式,來完善所有的環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題。
1. 同樣的材料,導(dǎo)熱率是一個(gè)不變的數(shù)值,熱阻值是會隨厚度發(fā)生變化的。
2. 同樣的材料,厚度越大,可簡單理解為熱量通過材料傳遞出去要走的路程越多,所耗的時(shí)間也越多,效能也越差。
3.
對于導(dǎo)熱材料,選用合適的導(dǎo)熱率、厚度是對性能有很大關(guān)系的。選擇導(dǎo)熱率很高的材料,但是厚度很大,也是性能不夠好的。最理想的選擇是:導(dǎo)熱率高、厚度薄,完美的接觸壓力保證最好的界面接觸。
4、使用什么導(dǎo)熱材料,理論上來講是很困難的一件事情。很難真正的通過一些簡單的數(shù)據(jù),來準(zhǔn)確計(jì)算出選用何種材料合適。更多的是靠測試和對比,還有經(jīng)驗(yàn)。測試能達(dá)到產(chǎn)品要求的理想效果,就是最為合適的材料。