Inden for termisk styring er "termisk ledningsevne" uden tvivl den hyppigst nævnte og lettest overdrevne parameter. Når et materiale først er mærket "høj termisk ledningsevne", antages det ofte som standard at have fremragende varmeafledningsevne. Men i den virkelige-verdens tekniske applikationer er situationen langt mere kompleks.
Først og fremmest skal et grundlæggende koncept afklares: termisk ledningsevne er en hovedegenskab ved materialet, hvorimod varmeafledning er et grænseproblem på systemniveau. Termisk ledningsevne beskriver, hvor hurtigt varme overføres i selve materialet, mens varmeafgivelse afhænger af, om varme effektivt kan fjernes fra materialets overflade og frigives til det omgivende miljø. Selvom et materiale kan prale af enestående termisk ledningsevne, hvis varmen, der når dets overflade, ikke hurtigt kan udledes over grænsen, vil slutresultatet være samtidig temperaturstigning i både materialet og hele systemet.
Netop derfor betyder "hurtig varmeledning" i mange applikationsscenarier ofte blot, at temperaturens ensartethed opnås hurtigere,-men det betyder ikke nødvendigvis lavere systemtemperaturer. For virkelig at forstå den tekniske værdi af et termisk grænseflademateriale skal man være opmærksom på flere yderligere kritiske indikatorer.
01 Specifik varmekapacitet og termisk diffusivitet
Hvorvidt et materiale er egnet til varmeafledning afgøres ikke alene af termisk ledningsevne; specifik varmekapacitet og termisk diffusivitet er lige så vigtige faktorer, som ikke kan overses.
Specifik varmekapacitet refererer til den mængde varme, der kræves for at hæve temperaturen på en enhedsmasse af materialet med 1 grad. Materialer med lav specifik varmekapacitet oplever hurtig temperaturstigning ved at absorbere en lille mængde varme og mangler evnen til at "lagre varme og buffertemperaturstigninger". Omvendt, for intermitterende varmekilder, der involverer start-stopcyklusser, impulser eller belastningsudsving, kan materialer med høj specifik varmekapacitet ofte tjene som et mere effektivt "termisk bufferreservoir".
Termisk diffusivitet er en omfattende indikator, der beskriver et materiales evne til at opnå temperaturensartethed under opvarmnings- eller afkølingsprocesser. Det afspejler i det væsentlige den hastighed, hvormed varmen forplanter sig gennem materialet. Termisk diffusivitet bestemmes af termisk ledningsevne, tæthed og specifik varmekapacitet, udtrykt som:
Termisk diffusivitet=Termisk ledningsevne / (densitet × specifik varmekapacitet) , med enheder på m²/s.
Sammenlignet med termisk ledningsevne alene har termisk diffusivitet større ingeniørmæssig betydning, når man beskriver forbigående varmeafledningsadfærd. En højere termisk diffusivitet betyder, at materialet både kan lede varme hurtigere og undgå skarpe lokale temperaturspidser på grund af energiakkumulering.
For eksempel præsenterer kobber og CVD diamantfilm en klassisk kontrast. Kobber har en termisk ledningsevne på ca. 400 W/m·K, moderat specifik varmekapacitet og relativt høj densitet. CVD diamantfilm kan overstige 1000 W/m·K i termisk ledningsevne, men har lavere specifik varmekapacitet og mindre tæthed. I visse forbigående,-højvarme-fluxapplikationer kan diamantfilm-med dens ekstremt høje termiske diffusivitet-undertrykke dannelsen af hotspot hurtigere. Men i scenarier, der kræver en vis termisk lagringskapacitet, kan dens samlede varmekapacitet stadig komme til kort sammenlignet med en større kobberblok.
02 Anisotropisk termisk ledningsevne
Overvej dernæst grafit, grafen og pyrolytisk grafit-materialer, der har fået stor opmærksomhed i de seneste år. Disse materialer udviser typisk stærke anisotrope varmeledningsegenskaber: deres varmeledningsevne i-plan kan nå så højt som 1500-2000 W/m·K, mens termisk ledningsevne gennem-tykkelse ofte kun måler 5-20 W/m·K.
Hvis varmestrømningsretningen ikke stemmer overens med materialets dominerende termiske akse, kan den så-kaldte "ultra-høje termiske ledningsevne" næsten direkte ophæves. I praktisk materialedesign og fremstilling er styring af fyldstoforientering ofte afhængig af ekstern feltinduktion eller specifikke behandlingsteknikker. For eksempel, ved at udnytte forskelle i magnetiske eller elektriske egenskaber af fyldstoffer, kan et påført magnetisk eller elektrisk felt inducere retningsbestemt justering af lamelstrukturer for at konstruere lodrette termiske-højhastighedsbaner. Alternativt kan forskydningskræfter under processer såsom bladbelægning, ekstruderingsstøbning eller fiberoverførsel fremme horisontal justering af flager langs strømningsretningen. Kun gennem præcis orienteringskontrol kan fonontransport effektivt dirigeres langs den primære termiske akse og derved virkelig omdanne et materiales anisotrope fordele til mærkbar varmeafledningsydelse i slutprodukter.
03 Andre kritiske faktorer på systemniveau
Når varmen endelig når det "sidste trin af spredning", er materialets iboende egenskaber ikke længere de eneste hovedpersoner. Overfladeemissivitet, overflademorfologi og tilstedeværelsen af effektive konvektive betingelser har alle væsentlig indflydelse på det endelige varmeafledningsresultat.
Tag aluminium som et eksempel: Det samme substratmateriale kan udvise drastisk forskellig varmeafledningsevne afhængigt af overfladens tilstand. I naturlige konvektion- eller vakuummiljøer har en spejlpoleret aluminiumsoverflade ekstremt lav emissivitet, hvilket forhindrer strålingsvarmeafledning. I modsætning hertil kan aluminiumoverfladens emissivitet efter anodisering, påføring af belægning eller ru overflade øges væsentligt, hvorved strålingskølingsevnen markant forbedres.
Desuden er der et problem, som ofte overses i ingeniørpraksis: mange termiske grænsefladematerialer (TIM'er) fungerer faktisk som grænsefladekomponenter i et system. Almindelige produkter såsom termisk fedt, mellemrumspuder og fase{1}}ændringsmaterialer får ikke kun deres værdi fra deres varmeledningsevne. Mere kritisk ligger deres værdi i deres evne til konsekvent og pålideligt at eliminere luftspalter og reducere termisk kontaktmodstand på lang sigt.
I systemer i den virkelige-verden kan grænsefladevarmemodstand tegne sig for 30 % til 70 % af den samlede termiske modstand-dets påvirkning kan endda opveje forskelle i de involverede materialers varmeledningsevne. I denne sammenhæng er materialets viskoelastiske egenskaber særligt vigtige. Faktorer som kompressionsdeformationsevne, spændingsafspændingsegenskaber og langsigtet krybeadfærd påvirker alle direkte materialets driftsstabilitet og pålidelighed under vedvarende mekanisk tryk.