Теплопровідність алюмінію: Свойства алюминия: плотность, теплопроводность, теплоемкость Al

Властивості алюмінію: питома вага і теплопровідність, виробництво, застосування, сплави і температура плавлення | vseznayko.com.ua

 Металообробка

Травень 5, 2020

Алюміній — всім відомий з шкільного курсу хімії елемент таблиці Менделєєва. У більшій частині з’єднань він проявляє трехвалентность, але в умовах високих температур досягає деякої міри окислення. Одним з найбільш важливих його сполук є оксид алюмінію.

Алюміній — сріблястий метал з питомою вагою 2,7*103кг/м3 і густиною 2,7 г/см3. Легкий і пластичний, гарний, як провідник електроенергії, завдяки тому, що теплопровідність алюмінію досить висока — 180 ккал/м*год*град (вказаний коефіцієнт теплопровідності). Теплопровідність алюмінію перевищує аналогічний показник чавуну в п’ять разів і заліза в три рази.

Завдяки своєму складу, цей метал можна легко розкачати в тонкий лист або витягнути в дріт. При зіткненні з повітрям на його поверхні утворюється оксидна плівка (оксид алюмінію), яка є захистом від окислення і забезпечує його високі антикорозійні властивості. Тонкий алюміній, наприклад, фольга або порошок цього металу миттєво згорають, якщо їх нагрівати до високих температур і стають оксидом алюмінію.

Метал не особливо стійкий до агресивних кислот. Приміром, його можна розчинити в сірчаної або соляної кислоти навіть, якщо вони разбавленны, особливо, якщо їх нагрівати. Однак він не розчиняється в розведеною в концентрованої і при цьому холодної азотній кислоті, завдяки оксидній плівці. Певний вплив на метал мають водні розчини лугів — оксидний шар розчиняється і утворюються солі, що містять цей метал в складі аніона — алюмінати.

Відомо, що алюміній є найбільш часто зустрічається металом у природі, але вперше в чистому вигляді його зміг отримати вчений-фізик з Данії Х. Ерстед ще в 1925 році XIX століття. Цей метал займає третє місце за поширеністю в природі елементів і є лідером серед металів. 8,8% алюмінію містить земна кора. Його виявили у складі слюд, польових шпатів, глин і мінералів.

Виробництво і застосування алюмінію

Процес виробництва дуже енергоємний і тому перший великий завод у нашій країні був побудований і запущений в XX столітті. Основною сировиною для отримання цього металу є оксид алюмінію. Щоб його отримати, необхідно мінерали, що містять алюміній або боксити, очистити від домішок. Далі електролітичним способом розплавляють природний або отриманий штучним шляхом кріоліт при температурі трохи нижче 1000 ?С . Потім починають потроху додавати оксид алюмінію і супутні речовини, необхідні для поліпшення якості металу. В процесі оксид починає розкладатися і виділяється алюміній. Чистота одержуваного металу 99,7% і вище.

Цей елемент знайшов своє застосування в харчовому виробництві в якості фольги і столових приладів, у будівництві використовують його сплави з іншими металами, в авіації, електротехніці в якості замінника міді для кабелів, як легирующая добавка в металургії, алюмотермии та інших галузях.

Що таке температура плавки металів?

Температура плавки металів – значення температури нагрівання металу, при якій починається процес переходу з початкового стану в інший, тобто процес протилежний кристалізації (тужавіння), але нерозривно пов’язаний з нею.

Отже, для розплавлення метал нагрівають ззовні до температури плавлення і продовжують нагрівати для подолання межі фазового переходу. Суть в тому, що показник температури плавлення означає температуру, при якій метал знаходиться в фазовому рівновазі, тобто між рідким і твердим тілом. Іншими словами існує одночасно, як в тому, так і в іншому стані. А для плавлення потрібно нагріти його більше прикордонної температури, щоб процес пішов в потрібну сторону.

Варто сказати про те, що тільки для чистих складів температура плавки постійна. Якщо в складі металу знаходяться домішки, то це змістить кордон фазового переходу, а, відповідно, і температура плавлення буде інший. Це пояснюється тим, що склад з домішками має іншу кристалічну структуру, в якій атоми взаємодіють між собою по-іншому. Виходячи з цього принципу, метали можна розділити на:

• легкого плавлення, такі як ртуть і галій, наприклад, (температура плавлення до 600°С)
• среднеплавкие — це алюміній і мідь (600-1600°С)
• тугоплавкі — молібден , вольфрам (більше 1600°С).

Знання показника температури плавлення необхідно, як при виробництві сплавів для правильного розрахунку їх параметрів, так і при експлуатації виробів з них, оскільки цей показник визначає обмеження їх використання. Вже давним давно для зручності вчені фізики звели ці дані в одну таблицю. Існують таблиці температур плавки як металів, так і їх сплавів.

Температура плавлення алюмінію

Плавлення — процес перероблення металів зазвичай в спеціальних печах для отримання сплаву потрібної якості в рідкому стані . Як вже говорилося вище, алюміній належить до среднеплавким металів і плавиться при нагріванні до 660?С. При виготовленні виробів з металу температура плавлення впливає на вибір плавильної печі або агрегату і, відповідно, використовуваних для відливання вогнетривких форм.

Зазначена температура відноситься до процесу плавки чистого алюмінію. Так як в чистому вигляді він застосовується рідше, а введення в його склад домішок змінює температуру плавлення. Сплави алюмінію виготовляються для того, щоб змінити які-небудь його властивості, збільшити міцність, жаростійкість. В якості добавок застосовують:

• цинк
• мідь
• магній
• кремній
• марганець.

Додавання домішок тягне за собою зниження електропровідності, погіршення або поліпшення корозійних властивостей, підвищення відносної щільності.

Зазвичай додавання інших елементів у метал призводить до того, що температура плавлення сплаву знижується, але не завжди. Приміром, додавання міді в обсязі 5,7% призводить до зниження температури плавлення до 548?С. Отриманий сплав називають дюралюминием, його піддають подальшій термічній загартуванню. А алюмінієво-магнієві сполуки плавляться при температурі 700 — 750?С.

Під час процесу плавлення необхідний суворий контроль температури розплаву, а також присутності газів в складі, які виявляють через технологічні проби або способом вакуумної екстракції. На заключній стадії виробництва сплавів алюмінію проводять їх модифікування.

Post Views:
455

міді, латуні та алюмінію, теплопередача

Перед тим як працювати з різними металами і сплавами, слід вивчити всю інформацію, що стосується їх основних характеристик. Сталь є найпоширенішим металом і застосовується в різних галузях промисловості. Важливим її показником можна назвати теплопровідність, яка варіюється в широкому діапазоні, залежить від хімічного складу матеріалу і багатьох інших показників.

Зміст

• Що таке теплопровідність
• Показники для стали
• Вплив концентрації вуглецю
• Значення в побуті та виробництві

Що таке теплопровідність

Даний термін означає здатність різних матеріалів до обміну енергією, яка в цьому випадку представлена ​​теплом. При цьому передача енергії проходить від більш нагрітої частини до холодної і відбувається за рахунок:

1. молекул.
2. атомів.
3. Електронів і інших частинок структури металу.

Теплопровідність нержавіючої сталі буде істотно відрізнятися від аналогічного показника іншого металу — наприклад, коефіцієнт теплопровідності міді буде іншим, ніж у сталі.

Для позначення цього показника використовується спеціальна величина, звана коефіцієнтом теплопровідності. Вона характеризується кількістю теплоти, яке може пройти через матеріал за певну одиницю часу.

Показники для стали

Теплопровідність може істотно відрізнятися в залежності від хімічного складу металу. Коефіцієнт даної величини у сталі і міді буде різним. Крім цього, при підвищенні або зменшенні концентрації вуглецю змінюється і розглянутий показник.

Існують і інші особливості теплопровідності:

1. Для стали, яка не має домішок, значення становить 70 Вт / (м * К).
2. У вуглецевих і високолегованих сталей провідність набагато нижче. За рахунок збільшення концентрації домішок вона істотно знижується.
3. Саме термічний вплив також може впливати на структуру металу. Як правило, після нагрівання структура змінює значення провідності, що пов`язано зі зміною кристалічної решітки.

Коефіцієнт теплопровідності алюмінію значно вище, що пов`язано з більш низькою щільністю цього матеріалу. Теплопровідність латуні також відрізняється від відповідного показника стали.

Вплив концентрації вуглецю

Концентрація вуглецю в стали впливає на величину теплопередачі:

1. Низьковуглецевих сталі мають високий показник провідності. Саме тому вони використовуються при виготовленні труб, які потім застосовуються при створенні трубопроводу системи опалення. Значення коефіцієнта варіює в межах від 54 до 47 Вт / (м * К).
2. Середнім коефіцієнтом для поширених вуглецевих сталей є значення від 50 до 90 Вт / (м * К). Саме тому подібний матеріал використовується при виготовленні деталей різних механізмів.
3. У металів, які не містять різних домішок, коефіцієнт становить 64 Вт / (м * К). Це значення несуттєво змінюється при термічному впливі.

Таким чином, розглянутий показник у легованих сплавів може змінюватися в залежності від температури експлуатації.

Значення в побуті та виробництві

Чому важливо враховувати коефіцієнт теплопровідності? Подібне значення вказується в різних таблицях для кожного металу і враховується в наведених нижче випадках:

1. При виготовленні різних теплообмінників. Тепло є одним з важливих носіїв енергії. Його використовують для забезпечення комфортних умов проживання в житлових та інших приміщеннях. При створенні опалювальних радіаторів і бойлерів важливо забезпечити швидку і повну передачу тепла від теплоносія до кінцевого споживача.
2. При виготовленні відвідних елементів. Часто можна зустріти ситуацію, коли потрібно провести неподання тепла, а відведення. Прикладом назвемо випадок відведення тепла від ріжучої кромки інструменту або зубів шестерні. Для того щоб метал не втрачав свої основні експлуатаційні якості, забезпечується швидке відведення теплової енергії.
3. При створенні ізоляційних прошарків. У деяких випадках матеріал не повинен проводити передачу теплової енергії. Для подібних умов експлуатації вибирається метал, який володіє низьким коефіцієнтом провідності тепла.

Визначається розглянутий показник при проведенні випробувань в різних умовах. Як раніше було зазначено, коефіцієнт провідності тепла може залежати від температури експлуатації. Тому в таблицях вказується кілька його значень.

Поділися в соц мережах:

ІНШЕ

Як варити нержавійку в домашніх умовах

Сварка виробів з нержавійки є досить складною в технологічному плані операцією, яку неможливо якісно виконати без…

Металева мідь: опис елемента, властивості і застосування

Металева мідь здавна використовується людством в самих різних сферах життя. Двадцять дев`ятий елемент з періодичної…

Характеристики, особливості термообробки і застосування стали 40х

Машинобудування, приладобудування, верстатобудування і інші галузі промисловості в процесі виробництва використовують…

Фізичні властивості алюмінію і міді: теплопровідність

Важко уявити сучасний світ без такого металу, як алюміній. Завдяки таким своїм якостям, як легкість, стійкість до…

Щільність пінопласту як показник теплоізоляційних властивостей

Пінопласт вважається особливо ефективним будівельним матеріалом, застосовуваним для утеплення будівель зсередини і…

Зварювання нержавіючої сталі напівавтоматом в середовищі аргону і вуглекислим газом

Вживане в розмовній мові слово «нержавійка» являє собою низьковуглецеву сталь з додаванням хрому. В…

Тугоплавкі електроди: призначення, види і застосування

Дугове зварювання в захисній атмосфері інертного газу плавляться здійснюється методом плавлення і застосовується для…

Алюмінієвий куточок: виробництво, категорії, область застосування

Сучасна промисловість виробляє масу різноманітних профільних конструкцій з алюмінію, що знайшли застосування в різних…

Питома щільність і питома вага міді

Люди з давніх часів використовують мідь в повсякденному житті. Дуже важливим параметром для сучасних людей є її…

Характеристики та застосування електротехнічної мідної шини

Мідна шина — це провідник з низьким опором. Завдяки таким якостям мідь знайшла застосування в електротехнічній…

Температура плавлення металу в градусах

Метали і багато інших матеріалів можуть перебувати в твердому або рідкому стані. При впливі певної температури…

Сталь марки 30: характеристика заготовок згідно гост

Одним з найбільш поширених матеріалів можна назвати сталь. Вона застосовується в машинобудуванні, приватному або…

Булатна сталь: особливості, історія, область застосування

Існує величезна кількість різних сталей, які відрізняються не тільки складом, але і внутрішньою структурою. Прикладом…

Стіни з блоків

Унікальність і прагматичність будівництва житлових споруд з газобетону і газосилікату практично в будь-якому…

Теплопровідність металів і сплавів

Метали володіють великою кількістю характеристик, які визначають їх експлуатаційні якості і можливість застосування при…

Характеристики та склад нержавіючої сталі

У сучасному світі при виборі металу приділяється досить багато уваги антикорозійними властивостями. Це пов`язано з тим,…

Особливості та виготовлення дамаської сталі

Досить незвичним металом можна назвати дамаська сталь. Для її виготовлення коваль повинен володіти великим досвідом.…

Характеристика та застосування стали 9ХС

На сьогоднішній день в металургії зустрічається величезна кількість інструментальних сталей різних марок. Їх поширення…

Механічні властивості металів і сплавів

Область застосування металів визначається їх основними механічними властивостями. Виділяють багато параметрів, які…

Характеристики та розшифровка стали 09Г2С по госту

Основні характеристики металів і інших матеріалів залежать від особливостей хімічного складу. Включення різних хімічних…

Характеристики та розшифровка марки стали 12х18н10т

Проблемою більшості металів можна назвати високу сприйнятливість до впливу підвищеної вологості. З цієї причини були…

uarepon.ru » Город » Теплопровідність сталі, алюмінію, латуні, міді

Алюміній.

Ферум. | Тест з хімії – «На Урок»

Запитання 1

Фізичні властивості Алюмінію: (кілька правильних відповідей)

варіанти відповідей

 сріблясто-білий метал 

належить до групи важких металів

  має низьку теплопровідність

температура плавлення 660*С

властива висока електропровідність

 ковкий, пластичний метал

Запитання 2

Позначте, що має статися з атомом Алюмінію, щоб утворився іон Аl³⁺:

варіанти відповідей

віддати 2 електрони

прийняти 1 електрон

віддати 3 електрони

приєднати 3 електрони

Запитання 3

Хімічно активний алюміній стійкий до корозії тому, що:

варіанти відповідей

Він має високу відбивну здатність

Його поверхня вкрита міцною, тугоплавкою речовиною — алюміній оксидом

  Алюміній є окисником

  Він легкий та міцний

Запитання 4

Позначте число електронів в атомі Алюмінію: (по табл. Менделєєва)

варіанти відповідей

Запитання 5

Проаналізуйте твердження

І. Чистий алюміній активно реагує з водою.

ІІ. Оксидну плівку на поверхні алюмінію можна зняти механічним способом.

варіанти відповідей

правильне лише перше твердження

правильне лише друге твердження

обидва твердження вірні

  жодне з тверджень не є правильним

Запитання 6

Амфотерні сполуки — це

варіанти відповідей

сполуки, які залежно від умов виявляють основні або кислотні властивості

сполуки, які проявляють тільки основні властивості

сполуки, які проявляють тільки кислотні властивості

Запитання 7

І. Алюміній є найпоширенішим металічним елементом на Землі.

ІІ. Алюміній за певних умов може вступати в реакцію з лугами.

варіанти відповідей

правильне лише перше твердження

правильне лише друге твердження

  обидва твердження вірні

  жодне з тверджень не є правильним

Запитання 8

Виберіть твердження, характерні для Алюмінію

(кілька правильних відповідей)

варіанти відповідей

 розташований у 3 періоді, 3 групі, побічній підгрупі

 розташований у 3 періоді, 3 групі, головній підгруп

  містить13 протонів. 13 електронів, 13 нейтронів

 містить 13 протонів, 13 електронів, 14 нейтронів

Запитання 9

Напишіть рівняння хімічної реакції взаємодії алюмінію з хлором. Позначте загальну суму коефіцієнтів у реакції. 

варіанти відповідей

Запитання 10

Вкажіть суму коефіцієнтів у реакції Fe + Cl₂ =

варіанти відповідей

Запитання 11

Позначте неправильне твердження щодо фізичних властивостей заліза:

варіанти відповідей

має високу теплопровідність;

 не має запаху;

  за звичайних умов- тверда речовина;

 легкоплавний метал

Запитання 12

Укажіть УСІ формули, у яких ступінь окиснення Феруму дорівнює +3

варіанти відповідей

 Fe₂(SO₄)₃

 Fe(OH)₃

Fe(OH)₂

Запитання 13

Укажіть кислоти, з якими реагує алюміній за звичайних умов.

варіанти відповідей

хлоридна

розбавлена сульфатна

концентрована сульфатна

концентрована нітратна

Запитання 14

Виберіть формулу солі, з якою залізо буде реагувати

варіанти відповідей

Na₂SO₄

Запитання 15

Ферум входить до складу

варіанти відповідей

інсуліну

гемоглобіну

адреналіну

Запитання 16

Чому в алюмінієвій каструлі не можна варити борщ

варіанти відповідей

він є токсичним металом

борщ буде несмачним

алюміній реагує з кислотою

Запитання 17

Нестача Феруму в організмі призводить до:

варіанти відповідей

 серцево-судинних захворювань

 сколіозу, порушення постави

підвищениого артеріального тиску, пародонтозу

 анемії або недокрів’я

Запитання 18

Реакція алюмінію з йодом протікає:

варіанти відповідей

за нормальних умов

при нагріванні

на світлі

при додаванні води

Запитання 19

Електронна формула Алюмінію:

варіанти відповідей

варіанти відповідей

1s²2s²2p⁶3s³3p¹

1s²2s²2p⁶3s²3p¹

1s²2s²2p⁶3s²3p⁰

1s²2s²2p⁶3s²3p³

Запитання 20

Алюміній належить до:

варіанти відповідей

легких металів

важких металів

середніх металів

Запитання 21

На зовнішньому енергетичному рівні у атомі Феруму міститься :

варіанти відповідей

1 електрон

2 електрони

8 електронів

6 електронів

Запитання 22

Алюміній знаходиться в природі тільки у складі сполук тому, що :

варіанти відповідей

алюміній легкий метал

алюміній легкоплавний метал

алюміній хімічно активний метал

алюміній утворює амфотерні сполуки

Запитання 23

Визначте пари речовин, у результаті взаємодії яких утворюється алюміній гідроксид (кілька відповідей)

варіанти відповідей

Al і H₂O

Al₂O₃ і H₂O

AlCl₃ і Cu(OH)₂

AlCl₃ і KOH

Запитання 24

Ферум належить до :

варіанти відповідей

s-елементів

p-елементів

d-елементів

f-елементів

Запитання 25

Які властивості проявляють оксиди та гідроксиди феруму? (Кілька правильних відповідей).

варіанти відповідей

оксид та гідроксид феруму(ІІІ) — амфотерні

 оксид та гідроксид феруму(ІІ) — основні

 оксид та гідроксид феруму(ІІІ) — основні

оксид та гідроксид феруму(ІІ) — кислотні

оксид та гідроксид феруму(ІІ) — амфотерні

оксид та гідроксид феруму(ІІІ) — кислотні

Запитання 26

Ферум(ІІ) гідроксид — осад ,що має зеленуватий відтінок. При стоянні на повітрі з часом він окислюється і стає:

варіанти відповідей

чорним

темно-зеленим

Запитання 27

Продуктами реакції Fe + H₂SO₄ (концентрована) →…. будуть

варіанти відповідей

 FeSO₄ + H₂

Fe₂(SO₄)₃ + SO₂ + H₂O

FeSO₄ + SO₂ + H₂O

 Fe₃O₄ + H₂

Запитання 28

Виберіть електронну формулу атома Феруму:

варіанти відповідей

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁶4s²

 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁷4s¹

 1s²2s²2p⁶3s²3p⁶3d⁸4s²

1s²2s²2p⁶3s²3p⁶4s²4p⁶ 

Запитання 29

Виявити наявність в розчині йонів Fe²⁺ або йонів ^{Fe3+ можна внаслідок взаємодії :}

варіанти відповідей

солі з кислотою

солі з нерозчинною основою

солі з лугом

солі з водою

Запитання 30

Задача на домішки.

При взаємодії заліза масою 168 г, в якому 4% домішок, з сіркою масою утворилось :

варіанти відповідей

243,12 г солі

186 г солі

253,44 г солі

288 г солі

Створюйте онлайн-тести
для контролю знань і залучення учнів
до активної роботи у класі та вдома

Створити тест

Натисніть «Подобається», щоб слідкувати за оновленнями на Facebook

Алюминиевые профили

соответствуют требованиям терморегуляции SSL во многих областях применения (ЖУРНАЛ)

+++++

Эта статья была опубликована в апрельском номере журнала LEDs Magazine за 2013 год.

Просмотрите оглавление и загрузите PDF-файл полного выпуска за апрель 2013 г. или просмотрите версию электронного журнала в своем браузере.

+++++

С технологией твердотельного освещения на основе светодиодов (SSL), которая произвела революцию в индустрии освещения, новые возможности для осветительных приборов появляются повсюду, от жилых и коммерческих до уличных светильников. Тем не менее, грязный маленький секрет светодиодной технологии заключается в том, что она представляет собой проблему управления температурой, которая значительно отличается и более горячая, чем любая проблема, когда-либо представлявшая собой устаревшие лампочки. Отвод тепла от переходов светодиодов является необходимым условием для длительного срока службы изделия и стабильного поддержания светового потока и цвета. Существует множество вариантов материалов и способов производства для управления температурным режимом, а алюминиевые профили могут использоваться в самых разных областях.

Архитекторы, дизайнеры по свету и другие специалисты предъявляют высокие требования к светильникам и корпусам, которые отличаются великолепным внешним видом, вариантами отделки и цвета, а также структурной целостностью. Инженеры-конструкторы пытаются обеспечить все вышеперечисленное, решая проблему управления температурным режимом. Производители осветительных приборов хотят поставлять все вышеперечисленное, но в экономичных продуктах.

На данный момент преимущества светодиодов общепризнанны: более качественный свет, большая энергоэффективность и более низкие затраты на техническое обслуживание благодаря длительному сроку службы луковицы. Тем не менее, управление температурным режимом по-прежнему остается проблемой. Тепло, выделяемое светодиодами, губительно не только для срока службы лампы, но и для качества света. Перед инженерами стоит задача разработки продуктов, которые не только великолепно выглядят, но и решают проблему управления температурным режимом.

Термическая проблема

Задача инженеров-теплотехников состоит в том, чтобы отводить тепло от источника и рассеивать его в окружающую атмосферу как можно дальше от электроники и как можно быстрее. Осветительная промышленность предпочитает использовать продукты с пассивным управлением температурой, такие как радиаторы, в отличие от методов активного управления температурой. Как правило, активное управление температурой приравнивается к добавлению устройства, помогающего перемещать воздух над радиатором, часто это вентилятор. Движущийся воздух может повысить эффективность радиатора или даже позволить использовать радиатор меньшего размера в некоторых приложениях. Однако активные элементы могут увеличить стоимость, добавить шум и/или снизить надежность системы.

Инженеры обычно используют осветительную арматуру или материалы корпуса для передачи тепла. Большинство материалов обладают способностью проводить тепло, некоторые лучше, чем другие. Эта способность также называется теплопроводностью и измеряется в ваттах на метр-кельвин (Вт/мК).

Различные материалы обладают широким диапазоном теплопроводности. Например, бриллианты имеют очень высокий уровень (обычно 2200 Вт/мК), но явно слишком дороги для использования в осветительных приборах. Медь имеет приличный уровень теплопроводности (обычно 390 Вт/мК), но имеет два существенных недостатка по сравнению с алюминием — медь весит примерно в три раза больше алюминия и обычно стоит до пяти раз дороже. Алюминий не так хорошо проводит тепло (максимум 237 Вт/мК), но предлагает преимущества в весе и стоимости, которые важны во многих приложениях SSL.

Вычислительная гидродинамика

Чтобы определить правильное решение для управления температурным режимом, инженеры обычно работают со специализированным программным обеспечением, которое моделирует продукты и их тепловые характеристики. Вычислительная гидродинамика (CFD) используется для моделирования теплопроводности продукта, а анализ методом конечных элементов (FEA) исследует структурную целостность компонента. Пример CFD показан на рис. 1. В каждом продукте есть множество переменных, которые зависят от размера, формы и применения продукта (например, для внутреннего или наружного применения). Комбинируя FEA и CFD вместе с переменными, можно разработать наиболее рентабельный продукт, отвечающий потребностям как инженера-конструктора, так и инженера-теплотехника.

Рис. 2.

Исторически сложилось так, что алюминий был предпочтительным материалом для управления температурным режимом в светотехнической промышленности. Переменная заключалась в том, является ли алюминий литым или экструдированным. Светодиоды, однако, привели к новым тепловым проблемам, а также к разнообразию форм-факторов продуктов SSL, которые могут потребовать новых тепловых подходов. В ответ светотехническая промышленность начала использовать термопласты и графит в некоторых приложениях для управления температурным режимом.

В оставшейся части этой статьи мы рассмотрим четыре комбинации материалов и производственных процессов, которые чаще всего используются для решения проблемы управления температурным режимом в светодиодных светильниках. Кандидатами являются:
— Алюминиевые профили,
— Алюминиевые отливки,
— Термопласты, полученные литьем под давлением, и
— Литой графит.

Существуют определенные конструкции, приложения или условия, при которых каждый из этих материалов/процессов имеет смысл.

Профили и отливки

Алюминиевые профили и алюминиевые отливки чаще всего используются для управления температурой светодиодов. В 2012 году одна только компания Sapa предоставила светотехнической промышленности миллионы фунтов профилей. Этот рост обусловлен повышением теплового КПД, гибкостью конструкции и ценовыми преимуществами алюминиевых профилей по сравнению с отливками, что является доказательством того, что многие дизайнеры обнаруживают, что алюминиевые отливки не являются решение для большинства приложений.

В светотехнической промышленности используется несколько типов отливок. Для приложений с меньшим объемом, таких как специализированные уличные фонари, предпочтительным продуктом является литье в песчаные формы. Другие типы отливок включают отливки в постоянные формы, которые используются для приложений среднего объема, таких как стандартные промышленные или складские осветительные приборы. Наконец, литье под давлением используется для крупносерийных изделий, таких как светильники, продаваемые через розничных торговцев.

При рассмотрении связанных с этим затрат отливки в песчаные формы имеют самые низкие затраты на оснастку, которые обычно находятся в диапазоне от 5 000 до 10 000 долларов США и предлагают самую высокую цену за штуку. Цены на отливки в постоянные формы обычно колеблются от 15 000 до 30 000 долларов. Цены на штучные детали как для песчаных, так и для постоянных литейных форм сильно зависят от объема необходимой вторичной обработки.

Отливки под давлением имеют более низкие цены за штуку по сравнению с литьем в песчаные формы и отливки в постоянные формы и обычно требуют наименьшего количества вторичных операций, однако инструментальная оснастка может стоить от 50 000 до 100 000 долларов. Стоимость инструментов для литья под давлением аналогична стоимости инструментов для литья под давлением.

Все формы литых алюминиевых инструментов имеют определенный ожидаемый срок службы, по истечении которого инструменты необходимо заменить. Для сравнения, инструменты для крупного прессования обычно находятся в диапазоне от 5000 до 7500 долларов, а алюминиевые экструдеры обычно покрывают все затраты на замену инструментов, что дает экструзиям преимущество в затратах по сравнению с отливками.

Теплопроводность

С точки зрения теплопроводности использование экструзии имеет явное преимущество перед литьем. Алюминиевые профили могут быть на 53% более эффективными, чем отливки, поскольку они обладают более высоким уровнем теплопроводности. Коллективная проводимость упомянутых выше типов отливок обычно находится в диапазоне 120–140 Вт/мК, в то время как проводимость алюминиевых профилей обычно находится в гораздо более высоком диапазоне 200–215 Вт/мК. На рис. 2 показаны сравнительные показатели теплопроводности чистого алюминия, прессованных сплавов и литых сплавов.

Многие компании, занимающиеся освещением, на горьком опыте убедились, что литье из песка, форм и литья под давлением может быть менее эффективным, чем алюминиевые профили. Характер процесса литья создает проблемы с газовой пористостью. Если пористость находится рядом с областью, выделяющей тепло, пористость действует как печь, удерживая тепло в этой области, что затем сокращает срок службы светодиода. Это особенно проблема с иностранными литейщиками, у которых могут быть более низкие процедуры и стандарты качества. Пористость не является проблемой для процесса экструзии алюминия.

Вы можете легко использовать анализ CFD для сравнения аналогичных алюминиевых отливок под давлением и алюминиевых профилей. На рис. 3 показан такой обзор, иллюстрирующий, что процесс экструзии позволяет проектировать ребра экструзии без осадки, что требуется для литья под давлением. Этот факт позволяет использовать более длинные ребра экструзии, которые обеспечивают дополнительную площадь поверхности. В общем, чем больше площадь поверхности, тем больше естественная конвекция тепла в окружающую атмосферу. Сочетание увеличенной площади поверхности экструзии и более высокой теплопроводности по сравнению с литьем под давлением приводит к снижению максимальной температуры на 23%.

Повышение теплопроводности профилей по сравнению с отливками позволяет производителям осветительных приборов использовать меньше материала для достижения той же тепловой эффективности. Меньше материала плюс меньшая занимаемая площадь обычно приводят к снижению общих затрат. Кроме того, крупносерийная обработка с ЧПУ позволяет экструдерам экономично обрабатывать детали. Еще одним конструктивным преимуществом экструзии является то, что этот процесс обеспечивает превосходную отделку поверхности, которую можно анодировать в различные цвета, осветлить или покрасить в любой цвет (рис. 4).

Выдавливание также обеспечивает большую гибкость с точки зрения размера. Экструдеры могут создавать продукты шириной более 21 дюйма и иметь соотношение ребер 19:1. Два метода производства более широких изделий включают конструкцию с защелкой, которая часто используется для корпусов или коробок, и технологию, называемую сваркой трением с перемешиванием, которая позволяет экструдерам соединять два или более куска алюминия вместе без наполнителя. Компания Sapa использовала эту технологию для герметизации профиля путем приваривания крышки к верхней части, что может быть особенно полезно в промышленном освещении, где светильники должны быть взрывобезопасными.

Термопласты и графит, полученные литьем под давлением

В некоторых случаях алюминиевые отливки и термопласты или графит, полученные литьем под давлением, имеют преимущества перед экструзией. Как правило, это небольшие приложения, в которых радиаторы необходимо прикрепить к колбе, часто в случае модернизации устаревших продуктов. Хотя экструзия может обеспечить лучшее решение для управления температурным режимом, механическая обработка для создания контура немного дороже, чем отлитое/формованное изделие.

Изделия из термопластика и графита, полученные литьем под давлением, являются приемлемыми вариантами, если важным фактором является вес и допустима ограниченная структурная целостность. В целом, эти варианты обеспечивают ограниченные механические свойства и имеют ограничения по размеру. Модернизированные лампы являются примером продукта, в котором в качестве теплоотвода успешно используются литые под давлением алюминиевые изделия, изделия из термопластика, полученные литьем под давлением, и литой графит.

Оптимальная конструкция корпуса светодиода должна быть разработана с помощью инженеров, специализирующихся в области тепловых технологий и качества. Инженеры по экструзии могут провести углубленный термический анализ, а также спроектировать экструзию для упрощения производственного процесса. Это позволяет работать напрямую с производителем, от проектирования до отделки, для индивидуального подхода к управлению температурным режимом, который точно соответствует требованиям применения.

Разработка и изготовление алюминиевого сплава с высокой теплопроводностью на основе CALPHAD и расчета из первых принципов

Разработка и изготовление алюминиевого сплава с высокой теплопроводностью на основе CALPHAD и расчетов из первых принципов

Скачать PDF

• Исследования и разработки
• Опубликовано: 30 апреля 2022 г.

• Ye Wang ¹ ,
• Hui-Jun Kang ^2,3 ,
• Yu Guo ^1,4 ,
• Hong-Tao CHEN ^145,
• Hong-Tao Chen ^9145,
• .
• …
• Цзэ-шэн Цзи ¹  

Китай Литейный завод
том 19 , страницы 225–237 (2022)Процитировать эту статью

• 151 доступ

• Сведения о показателях

Abstract

Для получения алюминиевого сплава с высокими термическими и механическими свойствами было исследовано влияние легирующих элементов и вторых фаз на теплопроводность алюминиевых сплавов с помощью CALPHAD и расчетов из первых принципов соответственно. Систематически изучались свойства вторых фаз, в том числе модуль Юнга, коэффициент Пуассона и минимальная теплопроводность. Результаты показывают, что порядок ранжирования влияния легирующих элементов на теплопроводность Mg>Cu>Fe>Si, а для сплавов Al-12Si математическая модель связи между легирующими элементами и теплопроводностью может быть выражена как λ=ax ² — bx+c при осаждении второй фазы в матрице. Все виды тройных фаз Al-Fe-Si обладают более высокими сопротивлением деформации, жесткостью, теоретической твердостью, температурой Дебая и теплопроводностью, чем другие фазы, которые, возможно, существуют в сплавах Al-12Si. Основываясь на рекомендациях CALPHAD и основных расчетах, оптимизированный химический состав алюминиевого сплава с высокой проводимостью составляет Al-11,5Si-0,4Fe-0,2Mg (мас.%) с теплопроводностью 137,50 Вт·м·9.0144 -1 ·K ^-1 и твердостью 81,3 HBW.

Скачайте, чтобы прочитать полный текст статьи

Ссылки

1. Guan R G, Shen Y F, Zhao Z Y, et al. Высокопрочный пластичный сплав Al-0,35Sc-0,2Zr с хорошей электропроводностью, упрочненный связными наноразмерными выделениями. Журнал материаловедения и технологий, 2017 г., 33 (3): 215–223.

   Артикул

   Google ученый

2. Дуан С.В., Мацуда К., Ван Т. и др. Микроструктура и механические свойства литого сплава Al-Cu-Li в процессе термообработки. Редкие металлы, 2021, 40(7): 1897–1906.

   Артикул

   Google ученый

3. Линь Г., Чжан З., Ван Х. и др. Повышение прочности и электропроводности сплава Al-Mg-Si за счет термомеханической обработки. Материаловедение и инженерия А, 2016, 650: 210–217.

   Артикул

   Google ученый

4. Чой С.В., Ким Ю.М., Ли К.М. и др. Влияние скорости охлаждения и термической обработки на механические и термические характеристики литейных сплавов Al-Si-Cu-Mg. Журнал сплавов и соединений, 2014 г., 617: 654–659.

   Артикул

   Google ученый

5. Котиадис С., Циммер А., Эльсайед А. и др. Литые сплавы Al-Fe-Mg-Si с высокой электро- и теплопроводностью с добавками Ni. Металлургические и материальные сделки А, 2020, 51: 4195–4214.

   Артикул

   Google ученый

6. Chang J, Zhang Q, Lin Y F и др. Послойно армированные графитовой пленкой алюминиевые композиты с улучшенными характеристиками теплопроводности в приложениях для управления температурой. Журнал сплавов и соединений, 2018, 742: 601–609.

   Артикул

   Google ученый

7. Li W P, Zhang Y L, Mao J. Повышенная прочность и электропроводность сплава Al-0.3Ce одновременно с добавлением наночастиц Ti(C, N). Редкие металлы, 2021, 40: 1890–1896.

   Артикул

   Google ученый

8. Лян З. , Мяо Дж. С., Ши Р. Х. и др. CALPHAD моделирование и экспериментальная оценка тройной системы Ti-Al-Mn. CALPHAD: Компьютерное соединение фазовых диаграмм и термохимии, 2018, 63: 126–133.

   Артикул

   Google ученый

9. Шин Дж. С., Ко С. Х., Ким К. Т. Разработка и определение характеристик литейных алюминиевых сплавов с низким содержанием кремния для рассеивания тепла. Журнал сплавов и соединений, 2015, 644: 673–686.

   Артикул

   Google ученый

10. Erol H, Çadirli E, Erol EA, et al. Зависимость тепло- и электропроводности от температуры и состава Zn в сплавах Al-Zn. Международный журнал исследований литых металлов, 2019, 32 (2): 95–105.

    Артикул

    Google ученый

11. Chen J K, Hung H Y, Wang C F, et al. Тепло- и электропроводность в двойных и тройных сплавах Al-Si/Cu/Fe/Mg. Журнал материаловедения, 2015, 50: 5630–5639..

    Артикул

    Google ученый

12. Zhang C, Du Y, Liu S H, et al. Теплопроводность сплавов Al-Cu-Mg-Si: экспериментальное измерение и моделирование CALPHAD. Thermochimica Acta, 2016, 635: 8–16.

    Артикул

    Google ученый

13. Kim CW, Cho JI, Choi SW и др. Влияние легирующих элементов на теплопроводность алюминиевых сплавов при литье под высоким давлением. Передовые исследования материалов, 2013 г., 813: 175–178.

    Артикул

    Google ученый

14. Ламли Р.Н., Деева Н., Ларсен Р. и др. Роль состава сплава и термообработки Т7 в повышении теплопроводности алюминиевых отливок под высоким давлением. Metallurgical and Materials Transactions A, 2012, 44: 1074–1086.

    Артикул

    Google ученый

15. Wang Y, Lu Z X, Ruan X L. Первые принципы расчета решеточной теплопроводности металлов с учетом фонон-фононного и фонон-электронного рассеяния. Журнал прикладной физики, 2016, 119: 225109.

    Артикул

    Google ученый

16. Чой С.В., Ким И.М., Ли К.М. и др. Влияние скорости охлаждения и термической обработки на механические и термические характеристики литейных сплавов Al-Si-Cu-Mg. Журнал сплавов и соединений, 2014 г., 617: 654–659.

    Артикул

    Google ученый

17. Чой С.В., Чо Х.С., Канг К.С. и др. Дисперсионная зависимость термических свойств сплава Al-Si-Mg-Cu-(Ti) при различной термообработке. Журнал сплавов и соединений, 2015, 647: 1091–1097.

    Артикул

    Google ученый

18. Choi S W, Cho H S, Kumai S. Влияние выделения вторичных фаз на температуропроводность и теплопроводность сплава Al-4. 5Cu. Журнал сплавов и соединений, 2016, 688: 897–902.

    Артикул

    Google ученый

19. Payandeh M, Sjölander E, Jarfors A E W, et al. Влияние микроструктуры и термической обработки на теплопроводность реолитого и жидколитого сплава Al-6Si-2Cu-Zn. Международный журнал исследований литых металлов, 2015, 29(4): 202–213.

    Артикул

    Google ученый

20. Вандерслуис Э., Эмади П., Андилаб Б. и др. Роль морфологии кремния в электропроводности и механических свойствах литого алюминиевого сплава В319. Metallurgical and Materials Transactions A, 2020, 51: 1874–1886.

    Артикул

    Google ученый

21. Kim Y M, Choi S W, Hong S K. Поведение изменения температуропроводности в зависимости от термообработки в бинарной системе Al-Si. Журнал сплавов и соединений, 2016, 687: 54–58.

    Артикул

    Google ученый

22. Stadler F, Antrekowitsch H, Fragner W, et al. Влияние основных легирующих элементов на физические свойства литейных сплавов Al-Si. Материаловедение и инженерия А, 2013, 560: 481–491.

    Артикул

    Google ученый

23. Виджаян В., Прабху К. Н. Влияние модификации Sr на температуропроводность сплава Al-8Si. Международный журнал исследований литых металлов, 2018 г., 31 (2): 80–86.

    Артикул

    Google ученый

24. Чхве Г., Ким Х.С., Ли К. и др. Исследование теплопроводности и удельного электрического сопротивления сплавов Al-Cu, полученных с помощью уравнения переноса Больцмана и моделирования из первых принципов: полуэмпирический подход. Журнал сплавов и соединений, 2017 г., 727 (15): 1237–1242.

    Артикул

    Google ученый

25. Billur C A, Gerçekcioglu E, Bozoklu M, et al. Электро-, теплопроводность, микроструктура и механические свойства тройных сплавов Al-Sn-Pb. Науки о твердом теле, 2015, 46: 107–115.

    Артикул

    Google ученый

26. Guo Y, Wang Y, Chen H T, et al. Анизотропная упругость, электронная структура и термодинамические свойства интерметаллических соединений Al-Fe-Si из расчетов из первых принципов. Solid State Communications, 2019, 298: 113643.

    Статья

    Google ученый

27. Волвертон С., Озолиньш В. База данных по алюминию из первых принципов: Энергетика бинарных алюминиевых сплавов и соединений. Physical Review B, 2006, 73: 144 104.

    Артикул

    Google ученый

28. Ван А.Дж., Чжоу Л.С., Конг Ю. и др. Изучение первых принципов бинарных специальных квазислучайных структур для систем Al-Cu, Al-Si, Cu-Si и Mg-Si. CALPHAD: Компьютерное соединение фазовых диаграмм и термохимии, 2009, 33 (4): 769–773.

    Артикул

    Google ученый

29. Cui S, Jung I H. Термодинамическое моделирование четвертичной системы Al-Cu-Mg-Si. CALPHAD: Компьютерное соединение фазовых диаграмм и термохимии, 2017, 57: 1–27.

    Артикул

    Google ученый

30. Su CY, Li D J, Luo AA, et al. Влияние растворенных атомов и вторых фаз на теплопроводность сплавов Mg-RE: количественное исследование. Журнал сплавов и соединений, 2018 г., 747: 431–437.

    Артикул

    Google ученый

31. Segall MD, Lindan PJD, Probert MJ, et al. Моделирование первых принципов: идеи, иллюстрации и код CASTEP. Journal of Physics: Condensed Matter, 2002, 14: 2717.

    Google ученый

32. Пердью Дж. П. Приближение функционала плотности для корреляционной энергии неоднородного электронного газа. Physical Review B, 1986, 33: 8822–8825.

    Артикул

    Google ученый

33. Пердью Дж. П., Берк К., Эрнзерхоф М. Обобщенное градиентное приближение стало проще. Письма о физическом обзоре, 1996, 77: 3865–3872.

    Артикул

    Google ученый

34. Pfrommer BG, Côté M, Louie SG, et al. Релаксация кристаллов методом квазиньютона. Журнал вычислительной физики, 1997, 131 (1): 233–240.

    МАТЕМАТИКА
    Статья

    Google ученый

35. Муа Ф., Кудер Ф. X. Необходимые и достаточные условия упругой устойчивости в различных кристаллических системах. Physical Review B, 2014, 90(22): 224104.

    Статья

    Google ученый

36. Борн М. , Хуанг К. Динамическая теория кристаллических решеток. Канада: Издательство Оксфордского университета, 1954: 140–154.

    МАТЕМАТИКА

    Google ученый

37. Watt J P. Hashin-Strikman Границы эффективных модулей упругости поликристаллов с моноклинной симметрией. Журнал прикладной физики. 1980, 51: 1520–1524.

    Артикул

    Google ученый

38. Йилдирим А., Коч Х., Делигоз Е. Исследование из первых принципов структурных, упругих, электронных, оптических и колебательных свойств интерметаллида Pd ₂ Ga. Китайская физика B, 2012, 21(3): 037101.

    Статья

    Google ученый

39. Li S N, Ju X, Wan C B. Теоретические исследования упругих свойств орторомбического LiBH ₄ . Вычислительное материаловедение, 2014, 81: 378–385.

    Артикул

    Google ученый

40. Лонг Дж. П., Ян Л. Дж., Вэй С. С. Исследование упругих свойств гексагонального алунита из первых принципов. Physica B: Condensed Matter, 2012, 407 (13): 2606–2609..

    Артикул

    Google ученый

41. Чой Д.Х., Ан Б.В., Квешел Д.Дж. и др. Поведение β-фазы (Al ₃ Mg ₂ ) в AA5083 во время сварки трением с перемешиванием. Интерметаллиды, 2013. С. 35. С. 120–127.

    Артикул

    Google ученый

42. Cheng K M, Xu H X, Ma B C, et al. Исследование на месте диффузионного роста интерметаллических соединений в диффузионной паре Al-Mg. Журнал сплавов и соединений, 2019 г., 810: 151878.

    Артикул

    Google ученый

43. Яо Д М, Ся Ю М, Цю Ф и др. Влияние добавки La на свойства литейного сплава Al-Cu при повышенных температурах. Материаловедение и инженерия А, 2011, 528 (3): 1463–1466.

    Артикул

    Google ученый

44. Андилаб Б., Равинеран С., Доган Н. и др. Анализ на месте начального плавления Al2Cu в новом высокопрочном литейном сплаве Al-Cu с использованием лазерной сканирующей конфокальной микроскопии. Характеристика материалов, 2020, 159: 110064.

    Артикул

    Google ученый

45. Хилл Р. Упругое поведение кристаллического агрегата. Труды Физического общества: Раздел A, 1952, 65 (5): 349–354.

    Артикул

    Google ученый

46. Chen X Q, Niu H, Li D и др. Моделирование твердости поликристаллических материалов и объемных металлических стекол. Интерметаллиды, 2011, 19(9): 1275–1281.

    Артикул

    Google ученый

47. Майер Б., Антон Х., Ботт Э. и др. Ab-initio расчет упругих констант и коэффициентов теплового расширения фаз Лавеса. Интерметаллиды, 2003, 11(1): 23–32.

    Артикул

    Google ученый

48. Пью С Ф. XCII. Связь между модулями упругости и пластическими свойствами поликристаллических чистых металлов. Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал, 1954, 45(367): 823–843.

    Артикул

    Google ученый

49. Равиндран П., Фаст Л., Коржавый П.А. и др. Теория функционала плотности для расчета упругих свойств орторомбических кристаллов: приложения к TiSi ₂ . Journal of Applied Physics, 1998, 84: 4891.

    Статья

    Google ученый

50. Орсон Л. А. Упрощенный метод расчета температуры Дебая по константам упругости. Журнал физики и химии твердого тела, 1963, 24(7): 909–917.

    МАТЕМАТИКА
    Статья

    Google ученый

51. Кларк Д. Р. Рекомендации по выбору материалов для теплозащитных покрытий с низкой теплопроводностью. Технология поверхностей и покрытий, 2003, 163–164: 67–74.

    Артикул

    Google ученый

52. Кэхилл Д. Г., Пол Р. О. Колебания решетки и перенос тепла в кристаллах и стеклах. Ежегодный обзор физической химии, 1988, 39: 93–121.

    Артикул

    Google ученый

53. Пуарье П. Дж. Введение в физику недр Земли. University of California Press, 2000.

54. Шин Дж. С., Ко С. Х., Ким К. Т. Разработка и характеристика литейных алюминиевых сплавов с низким содержанием кремния для рассеивания тепла. Журнал сплавов и соединений, 2015, 644: 673–686.

    Артикул

    Google ученый

55. Chen D X. Анализ и исследование доэвтектического сплава Al-Si и эвтектического сплава Al-Si в конструкции из алюминиевого сплава с высокой теплопроводностью. Переработка ресурсов, 2019(1): 55–57.

56. Wu Y N, Zhang J F, Liao H C, et al. Влияние температуры гомогенизации на микроструктуру и проводимость сплава Al-Mg-Si-Ce. Журнал «Материаловедение и производительность», 2016 г., 25: 2720–2726.

    Артикул

    Google ученый

57. Zhang C, Du Y, Liu S H, et al. Микроструктура и теплопроводность литого и отожженного сплавов Al-Cu-Mg-Si в интервале температур от 25°С до 400°С. Международный журнал теплофизики, 2015, 36: 2869–2880.

    Артикул

    Google ученый

Ссылки на скачивание

Благодарности

Эта работа выполнена при финансовой поддержке Национального фонда естественных наук Китая (№ 51801045 и 52171113) и Ключевой лаборатории модификации материалов с помощью лазерных, ионных и электронных пучков Министерства образования , Даляньский технологический университет (№ KF2002).

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Школа материаловедения и химической инженерии Харбинского университета науки и технологии, Харбин, 150004, Китай

   Е Ван, Ю Го, Хун-тао Чен, Мао-лян Ху & Ze-sheng Ji

2. Ключевая лаборатория модификации материалов с помощью лазерных, ионных и электронных пучков, Даляньский технологический университет, Министерство образования, Далянь, Ляонин, 116024, Китай

   Hui-jun Kang

3. Ключевая лаборатория контроля затвердевания и цифровых технологий подготовки (провинция Ляонин), Школа материаловедения и инженерии, Даляньский технологический университет, Далянь, Ляонин, 116024, Китай

   Hui-jun Kang

4. Школа наук and Engineering, Huzhou College, Huzhou, Zhejiang, 313000, China

   Yu Guo

Авторы

1. Ye Wang

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Академия

2. Hui-jun Kang

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

3. Yu Guo

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

4. Hong-tao Chen

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

5. Мао-лян Ху

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

6. Ze-sheng Ji

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

Автор, ответственный за корреспонденцию

Ю Го.

Дополнительная информация

Ю Го Женщина, доктор философии. Ее научные интересы в основном сосредоточены на получении алюминиевых сплавов с высокой теплопроводностью.

Права и разрешения

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Модификация микроструктуры алюминия 6063 путем добавления бора и титана для улучшения теплопроводности

На этой странице Процессорный блок (ЦП) компьютеров. В нескольких исследованиях для этой цели использовались различные дополнительные элементы. В этой статье мы изучили влияние добавок титана и бора на теплопроводность алюминия 6063. Несколько образцов литейных сплавов были приготовлены с различным процентным содержанием добавок, а затем подвергнуты термообработке путем гомогенизации и старения. Результаты показали важное изменение значения теплопроводности на раппорт к эталонному металлу в зависимости от добавляемого элемента и его процентного содержания. Большая эволюция была связана с использованием бора в небольшом процентном соотношении. Более 13% улучшения теплопроводности было реализовано при добавлении всего 0,05% бора.

1. Введение

Электронные машины постоянно совершенствуются. Улучшение их производительности остается главной целью. Центральный процессор (ЦП) компьютера является наиболее важным элементом и очень быстро выделяет тепло. Неконтролируемое избыточное тепло может повредить его [1]. Таким образом, тепло должно быстро отводиться через элементы радиатора. Если не обеспечить рассеивание тепла, выделяемого полупроводниковыми элементами, в компьютерах и других электронных машинах может возникнуть множество проблем. Радиаторы являются очень важными элементами для отвода тепла от этих машин, чтобы поддерживать их хорошую работу и долгий срок службы.

В компьютере тепло может выделяться в избыточном количестве, особенно в центральном процессоре. Отвод тепла должен происходить легко и быстро, чтобы поддерживать достаточную прохладу ЦП и обеспечивать правильную работу электронных машин при его использовании [2–4].

С развитием информационных технологий постоянно увеличивается рассеиваемая мощность микропроцессора. Кроме того, уменьшение размера микропроцессора также привело к увеличению тепловых потоков. Рост информационных технологий быстро увеличился за последние несколько лет, что привело к увеличению спроса на микропроцессор, обладающий очень высокой вычислительной мощностью [5].

В компонентах радиатора могут использоваться различные материалы для рассеивания аккумулированного тепла в компьютере. В зависимости от значений теплопроводности существуют различные предложения материалов как чистые металлы или композиционные материалы. Медь можно использовать и для этой цели. Алмаз очень хорош, но очень дорог [6]. Алюминий является популярным выбором металлов из-за его характеристик, и это выгодный металл, который сочетает в себе высокую проводимость и низкую стоимость. Так, он обычно используется в радиаторах центрального процессора компьютеров [7, 8].

В этой области было проведено несколько исследований по уменьшению и рассеиванию тепла, выделяемого этими компонентами; в некоторых исследованиях пытались рассчитать и оценить температуру, отводимую от ЦП [1], и влияние его инженерного решения на его производительность [9]; другие изучали улучшение рассеивания тепла путем изготовления микроканалов в полупроводниковых элементах [10]. Канг и др. пытались улучшить отвод тепла, добавляя замкнутый контур жидкости [11]. Несколько исследований пытались улучшить теплопроводность радиатора центрального процессора. В некоторых исследованиях пытались использовать теплоотвод в виде металлической пены для переноса тепла за счет теплопроводности и теплового излучения [12].

Характеристики алюминия могут быть улучшены механической обработкой и термообработкой [4, 7] или плакированием [13]. Рана и другие изучали влияние различных элементов на микроструктуру и механические свойства алюминия, таких как медь, магний, кремний, титан, бор, хром и цирконий [14]. Другие изучали влияние металлургического эффекта титана и бора на теплопроводность алюминиевого сплава. Эти добавленные элементы приводят к увеличению теплопроводности [7, 15].

Но Шин и др. установлено, что добавка кремния и магния приводит к снижению теплопроводности [16]. Добавление никеля приводит к снижению тепло- и электропроводности за счет образования интерметаллических фаз, причем чем больше значения теплопроводности, тем меньше размер зерен; это исследование показало, что происходит улучшение механических свойств и теплопроводности алюминиево-кремниевых сплавов [17]. Удаление элементов ванадия и циркония из литого алюминия приводит к улучшению электропроводности и теплопроводности в дополнение к улучшению измеренной электропроводности [18].

Таким образом, состав сплава и термическая предыстория были наиболее важными факторами, определяющими теплопроводность [7].

2. Материалы и экспериментальная техника

2.1. Материал

Среди серии 6000 из алюминия мы попытались проанализировать некоторые коммерческие радиаторы. В этом исследовании использовался алюминий 6063; химический состав представлен в таблице 1.

Пруток алюминия 6063 разрезали на мелкие кусочки и расплавляли в печи при 850°С. Бор и титан добавляли во время плавки сплавов.

Стальная литейная форма двух цилиндрических образцов диаметром 33 мм уже обработана, как показано на рисунке 1, и предварительно нагрета до 200°C.

Плавка алюминия с добавками очень хорошо перемешивается в печи и в плавильном котле до момента литья в формы. После отливки образцы подвергают термообработке в гомогенизирующей обработке при 530 °С в течение 3 ч [19].

Образцы цилиндрических стержней проходят термическую обработку при вторичной обработке путем старения в течение 2 часов при 200°С после обработки на твердый раствор при 530°С в течение 2 часов и закалки в воде, как показано на рисунке 2.

Для каждого образца стержня вырезается толщина около 13  мм по двум краям образца. Затем стержень длиной 95 мм разрезают и обрабатывают на нескольких образцах для измерения теплопроводности.

Для каждого окончательного образца также был проведен спектрометрический анализ двух сторон образца с использованием Analytical Instruments SPECTROLAB, чтобы получить реальное процентное содержание химических элементов в металле после литья.

Все образцы имеют одинаковый состав элементов, за исключением того, что процентное содержание бора и титана было изменено в зависимости от приготовленных сплавов.

2.2. Измерения теплопроводности

Были приготовлены образцы для измерения теплопроводности диаметром 31 мм и толщиной 30 мм, и все эти образцы были помещены в устройство для измерения теплопроводности.

Мы использовали прибор ARMFIELD (теплообмен и термодинамика HT10XC, управляемый компьютером). Устройство зависит от измерения температуры между двумя положениями образца и во время прохождения тепла через образец. Термопары могут сообщать устройству температуру, которая отображается на экранах, как показано на рисунке 3. Две стороны образца имеют разные температуры. Верхняя сторона образца соприкасается с нагревателем прибора, а другая сторона охлаждается постоянным потоком воды.

Принцип измерения зависит от знания уравнения теплового потока через образец, закона Фурье, после чего можно рассчитать коэффициент проводимости: (Вт/м C) [1, 2, 8, 12].

Поток теплопередачи через образец можно определить по формуле (1). Кроме того, коэффициент проводимости () может быть задан формулой (3). это тепловой поток. Это энергия; его можно определить по формуле (4). Для измерений на приборе все параметры фиксированы, как показано в таблице 2. И задается прибором для каждого образца.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Результаты по теплопроводности

Были изготовлены две группы образцов для литья с использованием алюминия 6063 с добавлением порошка бора и титана в качестве дополнительных элементов.

Первая группа – это образцы с добавлением титана в разном процентном соотношении. В табл. 3 приведены результаты образцов после литья и спектрометрического анализа.

Вторая группа с добавлением бора, как показано в Таблице 4.

Измерения теплопроводности проводились для всех образцов теплопроводности. Значение теплопроводности эталонных образцов (алюминий 6063 без каких-либо добавок) составило 190,2 (Вт/м C).

Для всех образцов мы измерили (C) с помощью устройства теплопроводности, мы повторили измерение несколько раз, и было записано среднее значение. Значение теплопроводности рассчитывали по (3) и (4).

Измерения в приборе проводились после стабилизации теплового потока через образец и при температуре охлаждаемой поверхности от 30 до 40°С. Этот диапазон температур выбран для получения рассматриваемого теплового потока через образец и уменьшения влияния тепловых потерь на излучение и конверсионных эффектов в устройстве. Температуры образцов все еще находятся в небольшом диапазоне измерений. Преимущество заключается в исключении влияния изменения температуры на коэффициент теплопроводности.

Рассчитаны значения теплопроводности. На рис. 4 показано изменение значений теплопроводности в зависимости от процентного содержания титана в этой группе.

Кривая начинается с сильного увеличения значения теплопроводности до 0,3% титана, а затем быстро падает до низкого уровня значения теплопроводности около 162 Вт/м C. процентное содержание бора присутствует почти в той же эволюции, но с разными точками эволюции, как показано на рисунке 5. Очевидно, что пик на кривой может быть показан при 0,05% бора.

Затем кривая снижается почти до того же предыдущего значения, около 160 Вт/м C в это время.

3.2. Результаты микроструктуры

Морфология микроструктуры всех образцов показана с помощью оптического микроскопа (Hund 600) после подготовки поверхностей и травления их в химическом растворе (1 см ³ HF, 1,5 см ³ HCl, 2,5 см ³ HNO3 и 95 см ³ h3O).

Микроструктура образцов без добавок показана на рис. 6(а). На том же рисунке показаны некоторые микроструктуры с добавлением титана на алюминии 6063 (B с 0,3% Ti и C с 1,5% Ti) (рис. 6).

В микроструктуре этого металла с добавкой титана отчетливо видны некие выделения. Это осаждение небольшое с небольшим процентным содержанием титана, и оно увеличивается в зависимости от увеличения процентного содержания титана.

Микроструктура образцов с добавкой бора представлена ​​на рис. 7: (а) без добавки, (б) с 0,05 % В, (в) с 2 % В. получение в этих образцах новой интерметаллидной фазы малого размера.

3.3. Обсуждение

После литья и гомогенизации алюминия мы применили к образцам обработку раствором и старение. Обработка старением является очень важным процессом для стабилизации микроструктуры и свойств алюминия. Наш металл предназначен для изготовления элементов радиатора центрального процессора и подвергается существенному изменению диапазона температур.

Титан положительно влияет на улучшение теплопроводности алюминия. Этот результат наблюдал и Вейо [7]. При добавлении небольшого количества титана (до 0,3% Ti) теплопроводность алюминия была улучшена примерно до 201 (Вт/м C).

На картинке под микроскопом на рис. 6(b) мы можем видеть осаждение Al-Ti, которое начало формировать образец с 0,3% Ti, который казался и оставался небольшим. Увеличение теплопроводности было связано с влиянием титана на алюминиевый сплав и уменьшением размера его зерен при увеличении плотности зерен; этот эффект был подтвержден и другими [7, 20].

Однако, когда выделения в микроструктуре становятся значительно больше, может возникнуть неудобная эволюция теплопроводности на кривой теплопроводности, где теплопроводность уменьшается пропорционально увеличению процентного содержания титана в алюминиевом сплаве, как показано на рисунке 6(с). Значение 160 Вт/м C было получено при значительном увеличении процентного содержания титана в сплаве, около 3%. Рана и др. заявил, что количество титана должно быть ограничено небольшим процентом, чтобы сохранить характеристики алюминия [14].

Влияние бора на теплопроводность более существенно, чем влияние титана. В случае добавления бора процент элемента был меньше. Кривая показала значительное увеличение непосредственно в начале с точки пика при 0,05% бора, а затем тенденция уменьшалась с увеличением количества бора. Теплопроводность достигла здесь 219 Вт/м C для пика, а затем снизилась до последнего значения 160 Вт/м C.

Бор также влияет на измельчение размера зерна микроструктуры алюминия [18] . Изображения на рисунке 7 показали, что размер зерен был меньше, когда мы увеличили процентное содержание бора в алюминиевом сплаве. Повышение теплопроводности здесь более важно при меньшем соотношении бора на раппорт по сравнению с титаном. Это происходит из-за большего измельчающего эффекта размера зерна на раппорт к исходному размеру зерна. Влияние бора на измельчение зерна более важно в связи с влиянием титана [7].

Методически этот эффект должен продолжаться в своем влиянии на увеличение теплопроводности за счет уменьшения размера зерен. Однако это не достигается из-за образования интерметаллической фазы AlB2 [18] в микроструктуре алюминия, что было выявлено с помощью рентгеновской дифракции (Philips PW 1830). Кроме того, это обеспечивает снижение теплопроводности металла.

Мы пришли к выводу, что влияние титана и бора началось с этапа литья алюминия. На стадии затвердевания эти дополнительные элементы увеличивали плотность ядер в расплавленном металле. Этот шаг очень важен для построения зернистой структуры металла. С этой системой зародышеобразования мы можем иметь ограничение в шаге роста зерен, и мы получили малый размер зерен в микроструктуре. Это уменьшение размера зерна улучшило коэффициент теплопроводности алюминия, но это улучшение по-прежнему было ограничено небольшим количеством дополнительных элементов, титана (0,3%) и бора (0,05%). При этих значениях мы отметили появление осадков в случае добавления титана, но они были очень малы или пренебрежимо малы в случае добавления бора. Это объясняет, почему улучшение более важно при добавлении бора.

Если мы продолжим добавлять эти элементы в расплавленный алюминий, размер зерен по-прежнему будет меньше, особенно в случае добавления бора, а осадки станут более важными в случае добавления титана. Это также объясняет меньшие значения коэффициента проводимости в случае добавления титана после пика по сравнению со случаем добавления бора. Уменьшение коэффициента теплопроводности в этих двух случаях после пиков можно объяснить эффектом увеличения неоднородности основного металла.

Дополнительный процент бора увеличивает содержание металлических примесей. Дополнительная аугментация Титана увеличивает плотность осадков и их объем. Все эти факторы рассматриваются как препятствия на пути отвода тепла и объясняют снижение конечного коэффициента теплопроводности.

4. Заключение

Добавление некоторых химических элементов может привести к увеличению теплопроводности алюминия 6063 для радиаторов, используемых в электронной промышленности.

Титан и бор оказывают хороший эффект, но только в небольшом процентном соотношении.

Более 13% улучшения теплопроводности было достигнуто при добавлении 0,05% бора и около 6% при добавлении 0,3% титана.

Хотя эти добавки уменьшили размер зерен, они попытались сформировать новые интерметаллические фазы в микроструктурах.

И эти новые фазы приводят к снижению новых значений теплопроводности, уже улучшенных в алюминии 6063.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов в отношении этой рукописи.

Ссылки

1. И. Лавров, «Температура центрального процессора», Студенческий журнал математического моделирования: один + два , том. 7, нет. 1, статья 3, 2016.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

2. Э. М. Воробей, Ю. И. Чо, Дж. П. Абрахам и Дж. М. Горман, Достижения в области теплопередачи , vol. 45, Academic Press Publications, Cambridge, Mass, USA, 2013.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя

3. M. L. Minges, Electronic Materials Handbook Volume 1: Packaging , ASM International Handbook Committee, 1st edition, 1989.

4. Q. A. Acton, Легкие металлы — достижения в исследованиях и применении: ScholarlyBrief, ScholarlyEditions , Джорджия, Джорджия, США, 2013.

5. Н. Путра, Януар и Ф. Н. Искандар, «Применение наножидкостей к жидкостному блоку с тепловыми трубками и термоэлектрическое охлаждение электронного оборудования», Experimental Thermal and Fluid Science , vol. 35, нет. 7, стр. 1274–1281, 2011.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

6. DDL Chung, «Материалы для теплопроводности», Applied Thermal Engineering , vol. 21, нет. 16, стр. 1593–1605, 2001.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

7. В. Раута, О влиянии термической и металлургической обработки на теплопроводность литейных алюминиевых сплавов [к.т.н. диссертация] , Университет Аалто, Инженерная школа, Департамент инженерного проектирования и производства материалов, Публикация Университета Аалто, Материаловедение, Эспоо, Финляндия, 2015.

8. С. Мустафа и К.А. 1057, «Характеристики радиатора», в Proceedings of the International IOR Rectifier, Aavid Thermalloy Thermal Seminar , ноябрь 2002 г.

   Посмотреть по адресу:

   Google Scholar

9. K.C. Техника теплопередачи , том. 29, нет. 7, стр. 651–656, 2008 г.

   Посмотреть по адресу:

   Сайт издателя | Google Scholar

10. В. К. Двиведи, Р. Гопал и С. Ахмад, «Изготовление очень гладких стенок и днищ кремниевых микроканалов для отвода тепла полупроводниковых устройств», Журнал микроэлектроники , том. 31, нет. 6, стр. 405–410, 2000.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

11. С. Канг, Д. Миллер и Дж. Сеннамо, «Жидкостное охлаждение с замкнутым контуром для высокопроизводительных компьютерных систем», в материалах Proceedings of the IPACK2007, InterPACK Conference, совместно с ASME/JSME 2007 Thermal Engineering Heat Летняя конференция по переносу, ASME 2007 , vol. 2, стр. 509–515, Ванкувер, Британская Колумбия, Канада, июль 2007 г.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

12. Т. Лу и К. Чен, «Теплоперенос и свойства огнестойкости ячеистых алюминиевых сплавов», Acta Materialia , vol. 47, нет. 5, стр. 1469–1485, 1999.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

13. М. Шайра и М. Мунаджид, «Изучение и разработка биметаллов (алюминий-медь) для улучшения электропроводности», Журнал Университета Аль-Баас , том. 32, 2010.

    Просмотр по адресу:

    Google Scholar

14. Рана Р.С., Пурохит Р., Дас С. Обзоры влияния легирующих элементов на микроструктуру и механические свойства алюминиевых сплавов и композитов из алюминиевых сплавов. », International Journal of Scientific and Research Publicationss , vol. 2, нет. 6, 2012.

    Посмотреть по адресу:

    Google Scholar

15. Г. К. Сигворт, «Измельчение зерна алюминия и фазовые соотношения в системе Al-Ti-B», Metallurgical Transactions A , vol. 15, нет. 2, стр. 277–282, 1984.

    Посмотреть по адресу:

    Сайт издателя | Google Scholar

16. Дж. Шин, С. Ко, К. Ким, «Разработка алюминиевых литейных сплавов с низким содержанием кремния и улучшенной теплопроводностью», Materiali in Tehnologije , vol. 48, нет. 2, pp. 195–202, 2014.

    Просмотр по адресу:

    Google Scholar

17. Ф. Стадлер, Х. Антрековитч, В. Фрагнер, Х. Кауфманн и Дж. Питер, «Влияние никеля на теплопроводность литых сплавов Al-Si», в Proceedings of the ICAA13: 13th International Conference on Aluminium Alloys, (The Minerals, Metals & Materials Society) , 2012 г. и К. Хуберт, Улучшенные свойства алюминиевых литых сплавов за счет измельчения зерна бора, Лист технических данных, TRIMET Aluminium G, Aluminiumallee 1, 45356 Essen, Germanyy.

18. A. Tohru et al., ASM Handbook, Volume 4: Термообработка , том.