V oblasti tepelného manažmentu je „tepelná vodivosť“ pravdepodobne najčastejšie spomínaným a najľahšie prehnaným parametrom. Akonáhle je materiál označený ako „vysoká tepelná vodivosť“, často sa predpokladá, že má štandardne vynikajúcu schopnosť odvádzať teplo. V skutočných-svetových inžinierskych aplikáciách je však situácia oveľa zložitejšia.
V prvom rade je potrebné objasniť základný koncept: tepelná vodivosť je objemovou vlastnosťou materiálu, zatiaľ čo rozptyl tepla je problém na-úrovni systému. Tepelná vodivosť popisuje, ako rýchlo sa teplo prenáša v samotnom materiáli, zatiaľ čo rozptyl tepla závisí od toho, či je možné teplo efektívne odviesť z povrchu materiálu a uvoľniť ho do okolitého prostredia. Aj keď sa materiál môže pochváliť výnimočnou tepelnou vodivosťou, ak teplo, ktoré sa dostane na jeho povrch, nemôže byť okamžite vypudené cez hranicu, konečným výsledkom bude súčasné zvýšenie teploty v materiáli aj v celom systéme.
Práve z tohto dôvodu v mnohých aplikačných scenároch „rýchle vedenie tepla“ často znamená iba rýchlejšie dosiahnutie rovnomernosti teploty-, ale nemusí to nevyhnutne znamenať nižšie teploty systému. Aby sme skutočne pochopili inžiniersku hodnotu materiálu tepelného rozhrania, musíme venovať pozornosť niekoľkým ďalším kritickým indikátorom.
01 Špecifická tepelná kapacita a tepelná difúznosť
O tom, či je materiál vhodný na odvod tepla, nerozhoduje samotná tepelná vodivosť; merná tepelná kapacita a tepelná difúznosť sú rovnako dôležité faktory, ktoré nemožno prehliadnuť.
Špecifická tepelná kapacita sa týka množstva tepla potrebného na zvýšenie teploty jednotkovej hmoty materiálu o 1 stupeň. Materiály s nízkou špecifickou tepelnou kapacitou zažívajú rýchly nárast teploty po absorpcii malého množstva tepla a nemajú schopnosť „akumulovať teplo a zvyšuje sa teplota vyrovnávacej pamäte“. Naopak, pre prerušované zdroje tepla zahŕňajúce cykly štart{3}}zastavenie, impulzy alebo kolísanie zaťaženia môžu materiály s vysokou špecifickou tepelnou kapacitou často slúžiť ako efektívnejší „tepelný vyrovnávací zásobník“.
Tepelná difúznosť je komplexný indikátor, ktorý popisuje schopnosť materiálu dosiahnuť rovnomernosť teploty počas procesov ohrevu alebo chladenia. V podstate odráža rýchlosť, ktorou sa teplo šíri materiálom. Tepelná difúznosť je určená tepelnou vodivosťou, hustotou a špecifickou tepelnou kapacitou vyjadrenou ako:
Tepelná difúznosť=Tepelná vodivosť / (hustota × špecifická tepelná kapacita) , v jednotkách m²/s.
V porovnaní so samotnou tepelnou vodivosťou má tepelná difúznosť väčší technický význam pri popisovaní prechodného správania pri rozptyle tepla. Vyššia tepelná difúznosť znamená, že materiál môže rýchlejšie viesť teplo a vyhnúť sa prudkým lokálnym teplotným skokom v dôsledku akumulácie energie.
Napríklad medený a CVD diamantový film predstavujú klasický kontrast. Meď má tepelnú vodivosť približne 400 W/m·K, strednú mernú tepelnú kapacitu a relatívne vysokú hustotu. CVD diamantový film môže presiahnuť 1000 W/m·K v tepelnej vodivosti, ale má nižšiu špecifickú tepelnú kapacitu a menšiu hustotu. V určitých prechodných aplikáciách s vysokým-vysokým{6}}tepelným tokom dokáže diamantový film-so svojou extrémne vysokou tepelnou difúziou-potlačiť tvorbu horúcich miest rýchlejšie. Avšak v scenároch vyžadujúcich určitú tepelnú akumulačnú kapacitu môže byť jej celková tepelná kapacita stále nižšia v porovnaní s objemnejším medeným blokom.
02 Anizotropná tepelná vodivosť
Ďalej zvážte grafit, grafén a pyrolytický grafit-materiály, ktoré si v posledných rokoch získali veľkú pozornosť. Tieto materiály zvyčajne vykazujú silnú anizotropnú tepelnú vodivosť: ich v-rovinná tepelná vodivosť môže dosiahnuť až 1500 – 2000 W/m·K, zatiaľ čo cez-hrúbku tepelnej vodivosti často meria iba 5 – 20 W/m·K.
Ak sa smer tepelného toku nezhoduje s dominantnou tepelnou osou materiálu, takzvaná „ultra{1}}vysoká tepelná vodivosť“ môže byť takmer priamo anulovaná. V praktickom dizajne a výrobe materiálov sa riadenie orientácie plniva často spolieha na externú indukciu poľa alebo špecifické techniky spracovania. Napríklad využitím rozdielov v magnetických alebo elektrických vlastnostiach plnív môže aplikované magnetické alebo elektrické pole vyvolať smerové zarovnanie lamelárnych štruktúr na vytvorenie vysokorýchlostných vertikálnych tepelných dráh. Alternatívne, počas procesov, ako je poťahovanie čepeľou, vytláčanie alebo prenos vlákien, môžu šmykové sily podporovať horizontálne zarovnanie vločiek pozdĺž smeru toku. Len prostredníctvom presného riadenia orientácie môže byť fonónový transport efektívne nasmerovaný pozdĺž primárnej tepelnej osi, čím sa anizotropné výhody materiálu skutočne premenia na vnímateľný výkon odvádzania tepla v konečných produktoch.
03 Ďalšie kritické faktory na úrovni systému
Keď teplo konečne dosiahne „posledný krok rozptylu“, vnútorné vlastnosti materiálu už nie sú jedinými protagonistami. Emisivita povrchu, morfológia povrchu a prítomnosť efektívnych konvekčných podmienok, to všetko významne ovplyvňuje konečný výsledok rozptylu tepla.
Ako príklad si vezmite hliník: ten istý podkladový materiál môže vykazovať výrazne odlišný výkon odvádzania tepla v závislosti od stavu jeho povrchu. V prostredí s prirodzenou konvekciou alebo vákuom má zrkadlovo-leštený hliníkový povrch extrémne nízku emisivitu, ktorá bráni rozptylu sálavého tepla. Naopak, po eloxovaní, nanesení povlaku alebo zdrsnení povrchu sa emisivita hliníkového povrchu môže podstatne zvýšiť, čím sa výrazne zlepší schopnosť chladenia sálaním.
Okrem toho existuje problém, ktorý sa v inžinierskej praxi často prehliada: mnohé materiály tepelného rozhrania (TIM) v skutočnosti slúžia ako komponenty rozhrania v rámci systému. Bežné produkty, ako sú tepelné mazivá, podložky na medzery a materiály-fázovej zmeny, odvodzujú svoju hodnotu nielen od ich objemovej tepelnej vodivosti. Čo je kritickejšie, ich hodnota spočíva v ich schopnosti dôsledne a spoľahlivo eliminovať vzduchové medzery a dlhodobo znižovať kontaktný tepelný odpor.
V skutočných{0}}systémoch môže tepelný odpor na rozhraní predstavovať 30 až 70 % celkového tepelného odporu-jeho vplyv môže dokonca prevážiť rozdiely v objemovej tepelnej vodivosti použitých materiálov. V tejto súvislosti sú obzvlášť dôležité viskoelastické vlastnosti materiálu. Faktory, ako je schopnosť deformácie v tlaku, charakteristiky uvoľnenia napätia a dlhodobé-tečenie, všetky priamo ovplyvňujú prevádzkovú stabilitu a spoľahlivosť materiálu pri trvalom mechanickom tlaku.