V oblasti tepelného managementu je „tepelná vodivost“ pravděpodobně nejčastěji zmiňovaným a nejsnáze přehnaným parametrem. Jakmile je materiál označen jako „vysoká tepelná vodivost“, často se předpokládá, že má ve výchozím nastavení vynikající schopnost rozptylu tepla. Ve skutečných-světových inženýrských aplikacích je však situace mnohem složitější.
V první řadě je třeba objasnit základní koncept: tepelná vodivost je objemová vlastnost materiálu, zatímco rozptyl tepla je problém na-systémové úrovni. Tepelná vodivost popisuje, jak rychle se teplo přenáší v samotném materiálu, zatímco rozptyl tepla závisí na tom, zda lze teplo efektivně odvádět z povrchu materiálu a uvolnit do okolního prostředí. I když se materiál může pochlubit výjimečnou tepelnou vodivostí, pokud teplo dopadající na jeho povrch nemůže být okamžitě vytlačeno přes hranici, konečným výsledkem bude současné zvýšení teploty jak v materiálu, tak v celém systému.
Právě z tohoto důvodu v mnoha aplikačních scénářích „rychlé vedení tepla“ často znamená pouze rychlejší dosažení rovnoměrnosti teploty-, ale nemusí to nutně znamenat nižší teploty systému. Abychom skutečně pochopili technickou hodnotu materiálu tepelného rozhraní, musíme věnovat pozornost několika dalším kritickým indikátorům.
01 Měrná tepelná kapacita a tepelná difuzivita
O tom, zda je materiál vhodný pro odvod tepla, nerozhoduje samotná tepelná vodivost; měrná tepelná kapacita a tepelná difuzivita jsou stejně důležité faktory, které nelze přehlédnout.
Specifická tepelná kapacita se týká množství tepla potřebného ke zvýšení teploty jednotkové hmoty materiálu o 1 stupeň. Materiály s nízkou měrnou tepelnou kapacitou zažívají rychlý nárůst teploty po absorbování malého množství tepla a postrádají schopnost "akumulovat teplo a teplota se zvyšuje." Naopak u přerušovaných zdrojů tepla, které zahrnují cykly start{3}}stop, pulzy nebo kolísání zátěže, mohou materiály s vysokou specifickou tepelnou kapacitou často sloužit jako účinnější „tepelný rezervoár“.
Tepelná difuzivita je komplexní ukazatel, který popisuje schopnost materiálu dosáhnout stejnoměrnosti teploty během procesů ohřevu nebo chlazení. V podstatě odráží rychlost, kterou se teplo šíří materiálem. Tepelná difuzivita je určena tepelnou vodivostí, hustotou a měrnou tepelnou kapacitou, vyjádřené jako:
Tepelná difuzivita=Tepelná vodivost / (hustota × měrná tepelná kapacita) , v jednotkách m²/s.
Ve srovnání se samotnou tepelnou vodivostí má tepelná difuzivita větší technický význam při popisu přechodového chování rozptylu tepla. Vyšší tepelná difuzivita znamená, že materiál může rychleji vést teplo a vyhnout se prudkým lokálním teplotním špičkám v důsledku akumulace energie.
Například měď a CVD diamantový film představují klasický kontrast. Měď má tepelnou vodivost přibližně 400 W/m·K, střední měrnou tepelnou kapacitu a relativně vysokou hustotu. CVD diamantový film může překročit 1000 W/m·K v tepelné vodivosti, ale má nižší měrnou tepelnou kapacitu a menší hustotu. V určitých přechodných aplikacích s vysokým-vysokým-tepelným tokem může diamantový film-se svou extrémně vysokou tepelnou difuzí-potlačit tvorbu horkých míst rychleji. Avšak ve scénářích vyžadujících určitou tepelnou akumulační kapacitu může její celková tepelná kapacita stále zaostávat ve srovnání s objemnějším měděným blokem.
02 Anizotropní tepelná vodivost
Dále zvažte grafit, grafen a pyrolytický grafit-materiály, které si v posledních letech získaly významnou pozornost. Tyto materiály typicky vykazují silné anizotropní vlastnosti tepelné vodivosti: jejich v-rovinná tepelná vodivost může dosáhnout až 1500–2000 W/m·K, zatímco přes-tloušťku tepelné vodivosti často měří pouze 5–20 W/m·K.
Pokud se směr tepelného toku neshoduje s dominantní tepelnou osou materiálu, takzvaná „ultra{1}}vysoká tepelná vodivost“ může být téměř přímo vynulována. V praktickém materiálovém designu a výrobě se řízení orientace plniva často opírá o externí indukci pole nebo specifické techniky zpracování. Například využitím rozdílů v magnetických nebo elektrických vlastnostech plniv může aplikované magnetické nebo elektrické pole vyvolat směrové zarovnání lamelárních struktur za účelem vytvoření vysokorychlostních vertikálních tepelných drah. Alternativně, během procesů, jako je potahování čepelí, vytlačování nebo přenos vláken, mohou smykové síly podporovat horizontální vyrovnání vloček ve směru toku. Pouze přesným řízením orientace může být fononový transport účinně nasměrován podél primární tepelné osy, čímž se anizotropní výhody materiálu skutečně převedou na znatelný výkon odvádění tepla v konečných produktech.
03 Další kritické faktory na úrovni systému
Když teplo konečně dosáhne „posledního kroku rozptylu“, vnitřní vlastnosti materiálu již nejsou jedinými protagonisty. Emisivita povrchu, morfologie povrchu a přítomnost účinných konvekčních podmínek – to vše významně ovlivňuje konečný výsledek odvodu tepla.
Vezměme si jako příklad hliník: stejný materiál substrátu může vykazovat drasticky odlišný výkon odvádění tepla v závislosti na stavu jeho povrchu. V prostředí přirozené konvekce nebo vakua má zrcadlově leštěný hliníkový povrch extrémně nízkou emisivitu, která brání rozptylu sálavého tepla. Naproti tomu po eloxování, nanesení povlaku nebo zdrsnění povrchu může být emisivita hliníkového povrchu podstatně zvýšena, čímž se výrazně zlepší schopnost radiačního chlazení.
Kromě toho existuje problém, který je v technické praxi často přehlížen: mnoho materiálů tepelného rozhraní (TIM) ve skutečnosti slouží jako součásti rozhraní v rámci systému. Běžné produkty, jako jsou tepelná maziva, vycpávky a materiály-s fázovou změnou, neodvozují svou hodnotu pouze z jejich objemové tepelné vodivosti. Ještě důležitější je, že jejich hodnota spočívá v jejich schopnosti důsledně a spolehlivě eliminovat vzduchové mezery a dlouhodobě snižovat kontaktní tepelný odpor.
V reálných{0}}systémech může tepelný odpor na rozhraní činit 30 až 70 % celkového tepelného odporu-jeho vliv může dokonce převážit rozdíly v objemové tepelné vodivosti použitých materiálů. V této souvislosti jsou zvláště důležité viskoelastické vlastnosti materiálu. Faktory, jako je schopnost deformace v tlaku, charakteristiky relaxace napětí a dlouhodobé-tečení, všechny přímo ovlivňují provozní stabilitu a spolehlivost materiálu při trvalém mechanickém tlaku.