Теплопроводность у меди: Свойства меди: плотность, теплоемкость, теплопроводность

Теплопроводность металлов и сплавов λ, Вт/(м·К)

ГОСТы, СНиПы Карта сайта TehTab.ru Поиск по сайту TehTab.ru	Навигация по справочнику TehTab.ru:  главная страница / / Техническая информация/ / Физический справочник/ / Тепловые величины, включая температуры кипения, плавления, пламени и т.д ……/ / Теплопроводность. Коэффициенты теплопроводности. / / Теплопроводность металлов и сплавов λ, Вт/(м·К) Теплопроводность металлов и сплавов λ, Вт/(м·К): Теплопроводность металлов и сплавов λ, Вт/(м·К):   200 К 300 К 400 К 600 К 800 К Алюминий 237 237 240 230 220 Бронза алюминиевая = 105 = 130 145 Ванадий 31 30. 7 31.3 33.3 36 Вольфрам 185 174 159 137 125 Железо 94 80 70 55 43 Золото 323 317 311 298 284 Кобальт 122 100 85 67 58 Константан = 22 24 32 = Латунь = 110 = 140 150 Медь 413 401 393 379 366 Молибден 143 138 134 126 118 Никель 107 91 80 66 68 Нихром = 12 = = 23 Олово 73 67 62 ж ж Платина 73 72 72 73 76 Свинец 37 35 34 31 ж Серебро 430 429 425 412 396 Титан 25 22 20 19 20 Хром 111 94 91 81 71 Цинк 118 116 111 103 ж Условные обозначения: K — Кельвин ж — жидкий = — нет данных Дополнительная информация от TehTab. ru:
Нашли ошибку? Есть дополнения? Напишите нам об этом, указав ссылку на страницу.
TehTab.ru Реклама, сотрудничество: [email protected]	Обращаем ваше внимание на то, что данный интернет-сайт носит исключительно информационный характер. Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Все риски за использование информаци с сайта посетители берут на себя. Проект TehTab.ru является некоммерческим, не поддерживается никакими политическими партиями и иностранными организациями.

СВОЙСТВА МЕДИ

МЕДЬ и МЕДНЫЙ ПРОКАТ

 Марки и химический состав технической меди

        Марки меди и их химический состав  определен в ГОСТ 859-2001. Сокращенная информация о марках меди приведена ниже (указано минимальное содержание меди и предельное содержание только двух примесей – кислорода и фосфора):

Марка	Медь	О2	P	Способ получения, основные примеси
М00к	99.98	0.01	—	Медные катоды:продукт электролитического  рафинирования, заключительная стадия переработки медной руды.
М0к	99.97	0.015	0.001
М1к	99.95	0. 02	0.002
М2к	99.93	0.03	0.002
М00	99.99	0.001	0.0003	Переплавка катодов в вакууме, инертной или восстановительной атмосфере.Уменьшает содержание кислорода.
М0	99.97	0.001	0.002
М1	99.95	0.003	0.002
М00	99.96	0.03	0.0005	Переплавка катодов в обычной атмосфере.Повышенное содержание кислорода. Отсутствие фосфора
М0	99. 93	0.04	—
М1	99.9	0.05	—
М2	99.7	0.07	—	Переплавка  лома.Повышенное содержание кислорода, фосфора нет
М3	99.5	0.08	—
М1ф	99.9	—	0.012 — 0.04	Переплавка катодов и лома медис раскислением фосфором.Уменьшает содержание кислорода, но приводит к повышенному содержанию фосфора
М1р	99.9	0.01	0.002 — 0.01
М2р	99. 7	0.01	0.005 — 0.06
М3р	99.5	0.01	0.005 — 0.06

    Первая группа марок относится к катодной меди, остальные — отражают химический состав различных медных полуфабрикатов (медные слитки, катанка и изделия из неё, прокат).

     Специфические особенности меди, присущие разным маркам, определяются не  содержанием меди (различия составляют не более 0.5%), а содержанием конкретных примесей (их количество может различаться в 10 – 50 раз). Часто используют классификацию марок меди по содержанию кислорода:

—  бескислородная медь (М00 , М0 и М1 ) с содержанием кислорода до 0.001%.

—  рафинированная медь (М1ф, М1р, М2р, М3р) с содержанием кислорода до 0.01%,   но с

   повышенным содержанием фосфора.

— медь высокой чистоты (М00, М0, М1) с содержанием кислорода 0. 03-0.05%.

— медь общего назначения (М2, М3) с содержанием кислорода до 0.08%.

      Примерное соответствие марок меди, выпускаемой по разным стандартам, приведено ниже:

      Разные марки меди имеют  различное применение, а отличия в условиях их производства определяют существенные различия в цене.

     Для производства кабельно-проводниковой продукции катоды переплавляют по технологии, которая исключает насыщение меди кислородом при изготовлении продукции. Поэтому медь в таких изделях соответствует маркам  М00, М0 , М1 .

      Требованиям большинства технических задач удовлетворяют относительно дешевые марки М2 и М3. Это определяет массовое производство основных видов медного проката из М2 и М3.

Прокат из марок М1, М1ф, М1р, М2р, М3р производится в основном для конкретных потребителей и стоит намного дороже.

Физические свойства меди

      Главное свойство меди, которое определяет её преимущественное использование – очень высокая электропроводность (или низкое удельное электросопротивление). Такие примеси как фосфор, железо, мышьяк, сурьма, олово, существенно ухудшают её электропроводность. На величину электропроводности существенное влияние оказывает способ получения полуфабриката и его механическое состояние. Это иллюстрируется приведенной ниже таблицей:

 Удельное электрическое сопротивление меди для различных полуфабрикатов разных марок (гарантированные значения) при 20^оС.

     Различия в сопротивлении катанки марок М00, М0 и М1, обусловлены разным количеством примесей и составляют около 1%. В то же время различия в сопротивлении, обусловленные разным механическим состоянием, достигают 2 – 3%. Удельное сопротивление изделий из меди маркиМ2 примерно 0.020 мкОм*м.

       Второе важнейшее свойство меди — очень высокая теплопроводность.

     Примеси и легирующие добавки уменьшают электро- и теплопроводность меди, поэтому сплавы на медной основе значительно уступают меди по этим показателям. Значения параметров основных физических свойств меди в сравнении с другими металлами приведены в таблице (данные приведены в двух разных системах единиц измерения):

      По электро- и теплопроводности медь незначительно уступает только серебру.

 Влияние примесей  и  особенности  свойств  меди  различных  марок 

      Отличия в свойствах меди разных марок связаны с влиянием примесей на базовые свойства меди.   О влиянии примесей на физические свойства (тепло- и электропроводность) говорилось выше. Рассмотрим их влияние на другие группы свойств.

      Влияние на механические свойства.

      Железо, кислород, висмут, свинец, сурьма ухудшают пластичность. Примеси, малорастворимые в меди (свинец, висмут, кислород, сера), приводят к хрупкости при высоких температурах.

     Температура рекристаллизации меди для разных марок составляет  150-240^оС. Чем больше примесей, тем выше эта температура. Существенное увеличение температуры рекристаллизации меди дает серебро, цирконий. Например введение 0.05% Ag увеличивает температуру рекристаллизации вдвое, что проявляется в увеличении температуры размягчения и уменьшении ползучести при высоких температурах, причем без потери тепло- и электропроводности.

      Влияние на технологические свойства.

      К технологическим свойствам относятся 1) способность к обработке давлением при низких и высоких температурах, 2) паяемость и свариваемость изделий. 

      Примеси, особенно легкоплавкие,  формируют зоны хрупкости при высоких температурах, что затрудняет горячую обработку давлением.  Однако уровень примесей в марках М1 и М2 обеспечивают необходимую технологическую пластичность.

      При холодном деформировании влияние примесей заметно проявляется при производстве проволоки. При одинаковом пределе прочности на разрыв ( ?_в =16 кгс/мм² ) катанки из марок М00, М0 и М1 имеют разное относительное удлинение ? (38%, 35% и 30% соответственно). Поэтому катанка класса А (ей соответствует марка М00) более технологична при производстве проволоки, особенно малых диаметров. Использование бескислородной меди для производства проводников тока обусловлено не столько величиной электропроводности, сколько технологическим фактором.

     Процессы сварки и пайки существенно затрудняются при  увеличении  содержания кислорода, а также свинца и висмута.

     Влияние кислорода и водорода на эксплуатационные свойства.

     При обычных условиях эксплуатационные  свойства меди (прежде всего долговечность эксплуатации) практически одинаковы для разных марок. В то же время при высоких температурах  может проявиться вредное влияние кислорода, содержащегося в меди. Эта возможность обычно реализуется при нагреве меди в среде, содержащей водород.

     Кислород изначально содержится в меди марок  М0, М1, М2, М3. Кроме этого, если бескислородную медь отжечь на воздухе при высоких температурах, то вследствие диффузии кислорода поверхностный слой изделия станет кислородсодержащим.   Кислород в меди присутствует в виде закиси меди,  которая локализуется по границам зерен.

    Кроме кислорода в меди может присутствовать водород. Водород попадает в медь в процессе электролиза или при отжиге в атмосфере, содержащей водяной пар. Водяной пар всегда присутствует в воздухе. При высокой температуре он разлагается с образованием водорода, который легко диффундирует в медь.

     В бескислородной меди атомы водорода располагаются в междоузлиях кристаллической решетки и особо не сказываются на свойствах металла.

      В кислородсодержащей меди при высоких температурах водород   взаимодействует с закисью меди. При этом  в толще меди образуется водяной пар  высокого давления, что приводит к вздутиям, разрывам и трещинам.      Это явление известно как «водородная болезнь» или «водородное охрупчивание». Оно проявляется при эксплуатации медного изделия при температурах свыше 200^оС в атмосфере, содержащей водород или водяной пар.

     Степень охрупчивания  тем сильнее, чем больше содержание кислорода в меди и  выше температура эксплуатации. При 200^оС  срок службы составляет  1.5 года, при 400^оС — 70 часов.

Особенно сильно оно проявляется в изделиях малой толщины (трубки, ленты).

     При нагреве в вакууме изначально содержащийся в меди водород взаимодействует с закисью меди и также ведет к охрупчиванию изделия и ухудшению вакуума. Поэтому изделия, которые эксплуатируются при высокой температуре,  производятся из бескислородных (рафинированных) марок меди М1р, М2р, М3р.

Механические свойства медного  проката    

      Большая часть медного проката, поступающего в свободную продажу, производится из марки М2. Прокат из марки М1 производится в основном под заказ, кроме того он примерно на 20% дороже. 

      Холоднодеформированный прокат – это тянутые (прутки, проволока, трубы) и холоднокатаные (листы, лента, фольга) изделия. Он   выпускается в твердом, полутвердом и мягком (отожженном) состояниях. Такой прокат маркируется буквой «Д», а состояния поставки буквами Т, П или М.

      Горячедеформированный прокат – результат прессования (прутки, трубы) или горячей прокатки (листы, плиты) при температурах выше температуры рекристаллизации. Такой прокат маркируется буквой «Г». По механическим свойствам горячедеформированный прокат близок (но не идентичен) к холоднодеформированному прокату в мягком состоянии.

       Высокий предел прочности на сжатие (55 — 65 кгс/мм²) в сочетании с высокой пластичностью определяет широкое использование меди  в качестве прокладок в уплотнениях неподвижных соединений с температурой эксплуатации до 250^оС  (давление 35  Кгс\см²  для пара и 100 Кгс\см²  для воды).

     Медь широко используется в технике низких температур, вплоть до гелиевых. При низких температурах она сохраняет показатели прочности, пластичности и вязкости, характерные для комнатной температуры. Наиболее часто используемое свойство меди в криогенной технике – её высокая теплопроводность. При криогенных температурах теплопроводность марок М1 и М2становится существенной, поэтому в криогенной технике применение марки М1 становится принципиальным.

     Медные прутки выпускаются прессованными (20 – 180 мм) и холоднодеформированными,  в твердом, полутвердом и мягком состояниях (диаметр 3 — 50 мм)  по ГОСТ 1535-2006.

     Плоский медный прокат общего назначения выпускается в виде фольги, ленты, листов и плит по ГОСТ 1173-2006:

Фольга медная – холоднокатаная: 0.05 – 0.1 мм (выпускается только в твердом состоянии)

Ленты медные  — холоднокатаные: 0.1 – 6 мм.

Листы медные —  холоднокатаные: 0. 2 – 12 мм

                           — горячекатаные:    3 – 25 мм (механич. свойства регламентируются до 12 мм)

Плиты медные – горячекатаные:   свыше 25 мм (механические свойства не регламентируются)

     Горячекатаные и мягкие холоднокатаные медные листы и ленты выдерживают испытание на  изгиб  вокруг оправки диаметром равным толщине листа. При толщине до 5 мм они выдерживают изгиб до соприкосновения сторон, а при толщине 6 – 12 мм — до параллельности сторон. Холоднокатанные полутвердые листы и ленты выдерживают испытание на изгиб на 90 град.

Таким образом допустимый радиус  изгиба медных листов и лент равен толщине листа (ленты).    

     Глубина выдавливания лент и листов пуансоном радиусом 10 мм составляет не менее 7 мм для листов толщиной 0.1-0.14 мм и не менее 10 мм для листов толщиной 1-1.5 мм. По этому показателю (выдавливаемость) медь уступает латуням Л63 и Л68.  

     Медные трубы общего назначения изготавливаются  холоднодеформированными (в мягком, полутвердом и твердом состояниях) и прессованными (больших сечений) по ГОСТ 617-2006.

     Медные трубы используются не только  для технологических жидкостей, но и для питьевой воды. Медь инертна по отношению к хлору и озону, которые используются для очистки воды, ингибирует рост бактерий, при замерзании воды медные трубы деформируются без разрыва.  Медные трубы  для воды производятся по ГОСТ Р 52318-2005, для них ограничено содержание органических веществ на внутренней поверхности. Минимальные радиусы изгиба и допустимые давления для мягких медных труб приведены ниже:

Коррозионные свойства меди.

      При нормальных температурах медь устойчива в следующих средах:

— сухой воздух

— пресная вода (аммиак, сероводород, хлориды, кислоты ускоряют коррозию)

— в морской воде при небольших скоростях движения воды

— в неокислительных кислотах и растворах солей (в отсутствии кислорода)

— щелочные растворы (кроме аммиака и солей аммония)

— сухие газы-галогены

— органические кислоты, спирты, фенольные смолы

      Медь неустойчива в следующих средах:

— аммиак, хлористый аммоний

— окислительные минеральные кислоты и растворы кислых солей

      Коррозионные свойства меди в некоторых средах заметно ухудшаются с увеличением количества примесей.

      Контактная коррозия.

      Допускается контакт меди  с медными сплавами, свинцом, оловом во влажной атмосфере, пресной и морской воде. В то же время не допускается контакт с алюминием, цинком вследствие их быстрого разрушения.

  Свариваемость меди

    Высокая тепло- и электропроводность меди затрудняют её электросварку (точечную и роликовую). Особенно это касается массивных изделий. Тонкие детали можно сварить вольфрамовыми электродами. Детали толщиной более 2-х мм можно сваривать нейтральным ацетилено-кислородным пламенем. Надежный способ соединения медных изделий – пайка мягкими и твердыми припоями. Подробно о сварке меди см  www.weldingsite.com.ua

Медные сплавы 

      Техническая медь имеет низкую прочность и износоустойчивость, плохие литейные и антифрикционные свойства.  Этих недостатков лишены сплавы на медной основе — латуни и бронзы. Правда эти улучшения достигаются  за счет ухудшения тепло- и электропроводности.

       Имеются особые случаи, когда нужно сохранить высокую электро- или теплопроводность меди, но придать ей жаропрочность или износоустойчивость.

       При нагревании меди выше температуры  рекристаллизации происходит резкое снижение предела текучести и твердости.  Это затрудняет использование меди в электродах для контакной сварки. Поэтому, для этой цели используют специальные медные сплавы с  хромом, цирконием, никелем, кадмием (БрХ, БрХЦр, БрКН, БрКд). Электродные сплавы сохраняют  относительно высокую твердость и удовлетворительную электро- и теплопроводность  при температурах сварочного процесса (порядка 600С ).  

      Жаропрочность  достигается также легированием серебром. Такие сплавы (МС) имеют меньшую ползучесть при неизменной электро- и теплопроводности.

      Для использования в подвижных контактах (коллекторные пластины, контактный провод) применяют медь с небольшим уровнем легирования магнием или кадмием БрКд, БрМг. Они имеют повышенную износоустойчивость при высокой электропроводности.    

      Для кристаллизаторов используют медь с добавками железа или олова. Такие сплавы имеют высокую теплопроводность при повышенной износоустойчивости.

     Низколегированные марки меди по сути являются бронзами, но часто их относят к группе медного проката с соответствующей маркировкой (МС, МК, МЖ).

Латунь против меди, в чем разница? Как лучше?

• Остин Пэн

• 18 декабря 2020
• Категория: Блог

В коммерческом пространстве существует множество разновидностей металлов, и в результате это вызвало споры в обрабатывающей промышленности. Это противоречие является результатом того, что пользователи металлов не могут отличить один металл от другого. Это наиболее распространено, особенно когда вариации очень тонкие.

Примером двух металлов, которые часто путают, являются медь и латунь. Когда оба металла помещены рядом, можно заметить, что медь и латунь выглядят отдаленно похожими. Тем не менее, есть небольшая разница в цвете, чтобы отличить их друг от друга, требуется большой опыт. Чтобы избежать использования неправильного выбора для вашего проекта, чтение их может показаться решающим для успешного проекта. Вот некоторая полезная информация для определения разницы между медью и латунью.

Во-первых, давайте узнаем, что такое латунь и медь?

Во-первых, чтобы иметь возможность следовать нашему руководству, мы адаптировали этот раздел, чтобы сосредоточиться на описании латуни и меди.

Что такое латунь?

Латунь — это название медного сплава, состоящего из определенного содержания цинка. В результате этот металл часто принимают за медь. В дополнение к этому, латунь состоит из других металлов, включая олово, железо, алюминий, свинец, кремний и марганец. Включение этих других металлов помогает создать более уникальную комбинацию характеристик. Например, содержание цинка в латуни помогает повысить пластичность и прочность основного медного материала латуни. Чем выше концентрация цинка в латуни, тем пластичнее и прочнее сплав. Кроме того, он может варьироваться в цвете в зависимости от количества добавленного цинка от красного до желтого.

Латунь в основном часто используется в декоративных целях из-за ее сходства с золотом. Кроме того, он широко используется для производства музыкальных инструментов из-за его высокой прочности и технологичности.

Что такое медь?

Металл, названный медью, является одним из первых обнаруженных, обработанных и использованных металлов, которые использовались человеком. Это потому, что медь существует в своем естественном состоянии. Этот чистый металл использовался в доисторические времена для инструментов, оружия и украшений. В отличие от искусственно изготовленной латуни, это чистый металл, непосредственно пригодный для обработки. Медь может использоваться сама по себе, а также может быть объединена с другими сплавами и чистыми металлами для формирования подмножества сплавов.

Медь состоит из элементов с высокой электро- и теплопроводностью, в чистом виде она мягкая и ковкая. На протяжении тысячелетий он использовался как строительный элемент других сплавов и как строительный материал.

Давайте сравним 17 различий между латунью и медью

В этой части мы подробно сравним 17 различий между латунью и медью, а затем подведем итоги. Давай начнем.

Латунь против меди: элементный состав

Два металла можно различить по их элементному составу. Как мы уже говорили ранее, медь — это чистый неблагородный металл и элемент с очень высокой электропроводностью. Его электронная структура аналогична серебру и золоту.
Латунь как металл — это просто сплав меди и цинка. В отличие от меди, он содержит широкий диапазон элементного состава в зависимости от формы сплава. Обычный элементный состав латуни включает ее основной компонент Медь (Cu) и Цинк (Zn), хотя в зависимости от формы сплава она может иметь следующие компоненты:

• Алюминий (Al)
• Сурьма (Sb)
• Железо (Fe)
• Свинец (Pb)
• Никель (Ni)
• Фосфор (P)
• Силикон (Si)
• Сера (S)
• Олово (Sn)

Латунь против меди: коррозионная стойкость

Коррозию также можно использовать, чтобы отличить оба металла друг от друга. Эти два металла не содержат железа и поэтому не ржавеют. Медь может со временем окисляться, что приводит к образованию зеленой патины. Это может предотвратить дальнейшую коррозию поверхности медного металла. Однако латунь представляет собой сплав меди и цинка в сочетании с другими элементами, которые также могут противостоять коррозии. В заключение, латунь имеет более золотистый цвет и более устойчива к коррозии по сравнению с медью.

Латунь против меди: электропроводность

Различия в электропроводности различных металлов часто недостаточно изучены. Однако предположение об электропроводности материала на основании того, что он внешне похож на другой проводящий материал с известной емкостью, может иметь катастрофические последствия для проекта. Эта ошибка каким-то образом очевидна при замене меди латунью в электрических устройствах.

Для сравнения, медь является стандартом, по которому большинство материалов оценивается по электропроводности. Эти меры выражены как относительное измерение меди. Это означает, что медь не проявляет электрического сопротивления и является на 100% проводящей в абсолютном смысле. С другой стороны, латунь представляет собой сплав меди, и ее электропроводность всего на 28% меньше, чем у меди.

Латунь против меди: теплопроводность

Теплопроводность материала — это просто мера его способности проводить тепло. Это свойство теплопроводности варьируется от металла к металлу, и его важно учитывать, когда материал необходим для применения при высоких рабочих температурах. Чистые металлы имеют теплопроводность, которая остается неизменной с повышением температуры, в то время как сплавы обладают теплопроводностью, которая увеличивается с температурой. В этом случае медь представляет собой чистый металл, а латунь — сплав. Для сравнения, медь имеет самую высокую проводимость — 223 БТЕ/(ч·фут⋅°F), а латунь — 64 БТЕ/(ч·фут⋅°F).

Латунь против меди: температура плавления

Температура плавления металла очень важна и имеет решающее значение для выбора материала для проекта. Это связано с тем, что в точке плавления может произойти отказ компонента. Когда металлический материал достигает точки плавления, он переходит из твердой формы в жидкую. На данный момент этот материал больше не может служить своей цели.

Другая причина заключается в том, что металлы легче формуются в жидком состоянии. Это поможет в выборе лучшего между медью и латунью, когда для проекта требуется формуемость. В метрических единицах медь имеет самую высокую температуру плавления при 1084 ° C (1220 ° F), а латунь имеет температуру плавления в диапазоне от 900 ° C до 940 ° C. Диапазон температур плавления латуни объясняется различным химическим составом.

Латунь против меди: твердость

Твердость материала – это его сопротивление локальной деформации, которая может возникнуть в результате вдавливания индентора заданной геометрии в плоскую поверхность металла под действием заданной нагрузки. Латунь как металл прочнее и жестче по сравнению с медью. Что касается показателей твердости, латунь имеет твердость в диапазоне от 3 до 4. С другой стороны, твердость меди колеблется от 2.5 до 3 в таблице металлических жгутов. Латунь существует как продукт меди с различным содержанием цинка. Более высокий процент цинка делает латунь более прочной и пластичной.

Латунь против меди: Вес

При сравнении веса металлов вода может быть выбрана в качестве базовой линии для удельного веса — учитывая значение 1. Затем удельный вес обоих металлов сравнивается как доля более тяжелой или более легкой плотности. Сделав это, мы обнаружили, что медь является самой тяжелой с плотностью 8930 кг/куб.м. С другой стороны, плотность латуни в зависимости от ее элементного компонента варьируется от 8400 до 8730 кг/мXNUMX.

Латунь против меди: долговечность

Долговечность материала — это способность этого материала оставаться функциональным без использования чрезмерного ремонта или технического обслуживания всякий раз, когда материал сталкивается с проблемами нормальной эксплуатации в течение своего полураспада. Оба металла демонстрируют почти одинаковый уровень прочности при использовании в соответствующих проектах. Однако медь проявляет наибольшую гибкость по сравнению с латунью.

Латунь против меди: обрабатываемость

Обрабатываемость материала — это способность материала резать (обрабатывать) для получения приемлемого качества поверхности. Механическая обработка может включать фрезерование, резку, литье под давлением и многое другое. Обрабатываемость также можно рассматривать с точки зрения того, как можно изготовить материал. Для сравнения, латунь имеет самую высокую обрабатываемость, чем медь. Это делает латунь идеальной для применений, требующих высокого уровня формуемости.

Латунь против меди: формуемость

Медь обладает исключительной формуемостью, и это лучше всего описывается ее способностью производить проволоку микронного размера с минимальным размягчающим отжигом. Как правило, медные сплавы, такие как латунь, обладают повышенной прочностью, которая пропорциональна характеру и количеству холодной обработки. Общие методы, используемые при формировании компонентов из латуни, включают чеканку, гибку, растяжение и глубокую вытяжку. Например, патронная латунь отражает характеристики глубокой вытяжки. По сути, медь и латунь — медный сплав демонстрирует исключительную формуемость, но медь обладает большей гибкостью по сравнению с латунью.

Латунь против меди: свариваемость

Медь лучше поддается сварке, чем латунь. Однако все латунные сплавы пригодны для сварки, кроме латунных сплавов, содержащих свинец. Кроме того, чем меньше содержание цинка в латуни, тем легче ее сваривать. Таким образом, считается, что латунь с содержанием цинка менее 20% имеет хорошую свариваемость, а латунь с содержанием цинка выше 20% — удовлетворительную. Наконец, литые латунные металлы лишь незначительно поддаются сварке.

Как было сказано ранее, сплавы латуни со свинцом и оловом считаются несвариваемыми. Их следует избегать воздействия высокой температуры сварки, сильного предварительного нагрева и медленных скоростей охлаждения.

Латунь против меди: предел текучести

Предел текучести рассматривается как максимальное напряжение, при котором материал начинает постоянно деформироваться. При сравнении меди и латуни латунь обладает более высоким пределом текучести, чем медь. В подтверждение этого утверждения латунь демонстрирует давление от 34.5 до 683 МПа (5000–99100 33.3 фунтов на кв. дюйм), а медь — 4830 МПа (XNUMX фунтов на кв. дюйм).

Латунь против меди: максимальная прочность на растяжение

Предел прочности на растяжение компонента или материала – это его максимальное сопротивление разрушению. Латунь более жесткая и прочная, чем медь, и в результате она более подвержена образованию трещин под напряжением. Это объясняет причину более низкого предела прочности латуни на растяжение, но может быть увеличена в зависимости от элементного состава. Медь демонстрирует предел прочности при растяжении 210 МПа (30500 фунтов на квадратный дюйм). С другой стороны, латунь имеет предел прочности при растяжении в диапазоне 124–1030 МПа (18000 150000–XNUMX XNUMX фунтов на кв. дюйм).

Латунь против меди: прочность на сдвиг

Прочность на сдвиг — это прочность материала по отношению к типу текучести или структурному разрушению, особенно когда материал разрушается при сдвиге. Сдвигающая нагрузка в этом контексте представляет собой силу, которая вызывает разрушение материала или компонента при скольжении вдоль плоскости, параллельной направлению действия силы. При измерении видно, что латунь имеет самую высокую прочность на сдвиг (35000 48000 фунтов на квадратный дюйм – 25000 XNUMX фунтов на квадратный дюйм), а латунь имеет самую низкую прочность на сдвиг (XNUMX XNUMX фунтов на квадратный дюйм).

Латунь против меди: цвет

Медь — это чистый металл, а латунь — сплав меди. В результате цвет меди обычно достаточно отчетлив, чтобы отличить медь от латуни. Медь обычно красновато-коричневого цвета, в то время как латунь может быть другого цвета в зависимости от ее элементарных компонентов, включая золотисто-желтый, красновато-золотой или серебряный.

Латунь против меди: цена

Цена на латунь и медь может варьироваться в зависимости от того, какие сорта материала мы сравниваем. Хотя это может варьироваться, медь обычно является самым дорогим из двух материалов. Что касается латуни, она содержит меньше меди, чем чистая медь. Это более низкое содержание меди способствовало снижению цены.

Латунь против меди: области применения

Медь имеет широкий спектр применения в обрабатывающей промышленности. Он применяется в кровельных и водопроводных, проволочных и промышленных машинах. Когда требуется более высокая твердость, медь превращается в сплавы, такие как латунь и бронза. Ниже приведены области применения меди в производственных помещениях:

Провод и кабель

Несмотря на то, что в промышленности есть металлы-конкуренты, медь остается предпочтительным электрическим проводником. Это так очевидно почти во всех электрических проводах, за исключением того, что он менее предпочтителен для воздушной передачи электроэнергии. Он широко используется для производства, передачи, распределения электроэнергии, электроники, телекоммуникаций, схемотехники и бесчисленного количества электрооборудования.

Электронные и сопутствующие устройства

Медь используется для Печатные схемы и интегральные схемы вместо алюминия из-за его превосходной проводимости. Также используется в теплообменниках и радиаторах, поскольку обладает превосходными свойствами рассеивания тепла. Он находит применение в электронных лампах, электромагнитах, электронно-лучевых трубках и магнетронах в микроволновой печи.

Электродвигатели

Медь используется в электродвигателях из-за ее превосходной проводимости. Это проявляется в увеличении использования меди для катушки, что повышает эффективность. Известно, что использование двигателей и систем с моторным приводом составляет примерно от 43% до 46% всего потребления электроэнергии.

Архитектура

С древних времен медь использовалась как прочный, атмосферостойкий и устойчивый к коррозии строительный материал. Он используется при строительстве отливов, водосточных труб, сводов, дверей, крыш, водосточных желобов, куполов, шпилей и многого другого. В современную эпоху использование меди расширилось до внутренней и внешней облицовки стен, радиочастотного экранирования, строительных компенсаторов и многого другого. Также используется в декоративных изделиях для помещений, таких как впечатляющая сантехника, столешницы, поручни и многое другое.

антимикробный

Медь можно превратить в противомикробный сплав, обладающий свойствами, уничтожающими широкий спектр микроорганизмов, таких как кишечная палочка и многие другие. Эти противомикробные медные сплавы одобрены Агентством по охране окружающей среды США (EPA) совместно с сектором здравоохранения. Изделия, изготовленные из этих сплавов, включают прикроватные тумбочки, сантехнику, оборудование для фитнес-центров, раковины, ручки тележек для покупок и многое другое. Они устанавливаются в медицинских учреждениях Великобритании, Японии, Ирландии, Дании, Бразилии, Кореи и многих других стран.

Как средство против биологического обрастания

Медь считается биостатической, что означает, что она может предотвратить рост многих форм жизни. В результате этого медь используется для облицовки частей кораблей для защиты от мидий и ракушек. Он используется в аквакультуре для производства материалов для сетей из-за его антимикробной активности и предотвращения биообрастания.

Спекулятивное инвестирование

В мировом производственном пространстве увеличилось использование меди. В результате инвесторы рассматривают его как спекулятивную инвестицию в производство турбин, солнечных батарей и других возобновляемых источников энергии. Некоторые инвесторы хранят чистую медь в виде металлических слитков или кругов.

Латунь

Латунь по сравнению с медью имеет широкий спектр применения в разных отраслях. Он обычно используется в декоративных целях, потому что имеет сходство с золотом. Благодаря своей пригодности к обработке и долговечности, он является очень подходящим исходным материалом для производства музыкальных инструментов. Он также используется для производства сантехнических труб и трубопроводов из-за его высокой коррозионной стойкости.

Еще одним применением латуни является ее использование в электронных приборах из-за ее превосходной электропроводности. Латунь также используется в механических приложениях, таких как производство отливок для штурмовой винтовки М-16, подшипников и шестерен. Конкретные латунные сплавы обладают следующими свойствами:

Красная латунь

Эта форма латуни состоит из 95% меди и 5% цинка. Это мягкий латунный сплав, которому легко придать желаемую форму. Он идеально подходит для проектов, связанных с ремеслом, благодаря своему необычному глубокому бронзовому цвету. Он имеет широкий спектр применения, в том числе:

• Архитектурный фасциальный
• ювелирных изделий
• Значки
• Морское оборудование
• Гриль
• Декоративная отделка
• Дверные ручки

Гравюра Латунь

Этот сплав латуни известен как C35600 или C37000, и его состав колеблется от 1% до 2% свинца. Как следует из названия, он также использует. Это означает, что он используется при создании гравированных табличек и именных табличек. Он имеет применение в следующем:

• Компоненты часов
• Счетчики передач
• Оборудование для строителей
• Обод прибора

Свободная резка латуни

Другой сплав латуни, обозначенный С-360, с элементами меди, цинка и свинца. Его использование включает производство следующего:

• Разъемы
• Отводы
• Корпус клапана
• Трубы или водопроводные фитинги
• Болты, гайки, резьбовые детали
• Вес баланса
• Форсунки

Высокопрочная латунь

Этот тип латунного сплава содержит небольшой процент марганца. Этот тип латуни отличается прочностью и используется для изделий, подвергающихся большим нагрузкам. Примеры его применения включают:

• Морские Двигатели
• Локомотивная букса
• Зажимы аккумуляторные
• Тарелки перекоса
• Колеса для тяжелых грузов
• Направляющие клапанов
• Втулки Подшипники

Мышьяковая латунь

Этот тип латунного сплава имеет обозначение C26000, C26130 или латунь 70/30). Любой из этих сплавов содержит до 0.03% мышьяка для повышения его коррозионной стойкости в воде. Мышьяковистая латунь прочна, легко обрабатывается и имеет ярко-желтый цвет. Он идеально подходит для сантехнических работ, в то время как другие области применения включают производство:

• Волосы
• Картриджные отливки
• Электрические клеммы
• Сердечники радиатора, баки и рубины
• Тянутые прядения и контейнеры
• Теплообменники
• Вилки и фитинги для ламп

Таблица результатов

Как отличить латунь от меди?

Медь — это чистый и единый металл, каждый предмет из меди обладает одинаковыми свойствами. С другой стороны, латунь представляет собой сплав меди, цинка и других металлов. Комбинация нескольких металлов означает, что не существует единого надежного метода идентификации всей латуни. Однако мы собираемся обсудить методы, как отличить латунь от меди. Эти методы указаны ниже:

• Цветовая идентификация
• Другой метод идентификации

Цветовая идентификация

• Очистите два металла, чтобы их можно было различить. И медь, и латунь со временем покрываются патиной. Эта патина в основном зеленоватая. В ситуации, когда исходный металл виден, попробуйте технику очистки латуни. Хотя этот метод работает для обоих металлов, используйте коммерческие чистящие средства для меди и латуни, чтобы быть в большей безопасности.

• Поместите металл под белый свет. В этом случае, если идентифицируемые металлы отполированы, то может быть видно ложное свечение из-за отраженного света. Другой способ обойти это — посмотреть на него под белой флуоресцентной лампочкой или на солнечном свете. Для идентификации избегайте желтой лампы накаливания.

• Определите красноватый цвет меди. Это чистый металл красновато-коричневого цвета.

• Осмотрите желтую латунь. Латунь состоит из меди и цинка. Различная пропорция цинка в латуни дает разные цвета. В основном обычная латунь имела приглушенный желтый цвет или желто-коричневый цвет, похожий на бронзу. Другой тип латуни имеет зеленовато-желтый цвет, а этот сплав называют «позолоченным металлом». Он имеет ограниченное применение в боеприпасах и украшениях.

• Проверьте наличие красной или оранжевой латуни. Когда металл из латунного сплава состоит не менее чем на 85% из меди, он может выглядеть красновато-коричневым или оранжевым. Этот тип латуни используется в основном в декоративных застежках, ювелирных изделиях и сантехнике. Таким образом, любой намек на желтую, оранжевую или золотую окраску означает, что это латунь, а не медь.

• Определение другой латуни. Латунь с высоким содержанием цинка может выглядеть ярко-золотой, белой, серой или даже желтовато-белой. Сплавы в этих категориях не распространены, поскольку они не поддаются механической обработке. Однако можно найти им применение и в ювелирном деле.

Другой метод идентификации

• Использование звука: поскольку медь — мягкий металл, при ударе о другой компонент она издает приглушенный округлый звук. Испытание, проведенное в 1987 году, показало, что звук меди звучит как «мёртвый», а латунь издаёт чистый звенящий звук. Судить с помощью этого метода может быть сложно без опыта. Хорошей новостью является то, что изучение этого метода со временем полезно, особенно для хобби по сбору антиквариата или металлолома. Этот метод лучше всего подходит для сплошного метода

• Другой метод — искать штампованные коды. В основном изделия из латуни, изготовленные для промышленных целей, часто имеют коды для идентификации. Как в европейской, так и в североамериканской системах коды латуни начинаются с буквы «C», а за «C» следует несколько цифр. в большинстве случаев медь остается немаркированной.

Выбор подходящего металла для вашего проекта

Выбор правильного типа металла для приложения является критически важным моментом, когда речь идет о проектировании и производстве высококачественных продуктов или деталей. Хотя оба металла (медь и латунь) обеспечивают тепло- и электропроводность, прочность, коррозионную стойкость и многое другое, каждый из них имеет свои отличия. Эти ключевые различия были объяснены во второй главе этого руководства, и они имеют решающее значение для выбора любого из них в проекте.

Хотя медь и латунь долговечны, они не обладают одинаковым уровнем гибкости. При выборе для вашего проекта чистая бескислородная медь демонстрирует наибольшую гибкость, проводимость и пластичность, в то время как бронза обеспечивает обрабатываемость.

С точки зрения общего назначения, латунь в основном считается наиболее подходящей для общего применения. Его легко отливать, он относительно недорогой и податливый с низким коэффициентом трения. Латунь наиболее применима для декоративных компонентов и металлических деталей, с которыми люди соприкасаются ежедневно, например дверных ручек. Он применим в пищевой промышленности для пищевых продуктов, которые необходимо защитить от микробного и бактериального заражения.

Часто задаваемые вопросы о латуни и меди

Резюме: Латунь против меди, что лучше для вашего проекта?

Понимание соответствующих свойств латуни и меди имеет решающее значение для выбора лучшего материала для ваших проектов. Это помогает дать ответы на извечный вопрос «что лучше между медью и латунью». Наша подробная информация заставит вас понять, что оба металла более ценны в своем применении. В заключение следует отметить, что оба металла лучше подходят для их конкретных применений.

Если вам нужна обработка латунных деталей or обработка медных деталей, DEK — лучший поставщик, которому вы можете доверять, я рад услышать от вас!

Понимание эффективной теплопроводности печатных плат

Ключевые выводы

• Сначала определим эффективную теплопроводность печатной платы.

• Далее мы обсудим ключевые факторы, влияющие на эффективную теплопроводность печатных плат.

• Наконец, мы рассмотрим точность эффективной теплопроводности для теплового моделирования.

Если вы подаете тарелку горячей каши своему голодному ребенку, может быть трудно достаточно быстро охладить ее, прежде чем нетерпение возьмет верх над ними и ложка дымящейся каши обожжет их рот (или, если честно , иногда мой собственный нетерпеливый рот). Решение? Используйте тарелку вместо миски и тонким слоем распределите по ней кашу, чтобы увеличить площадь поверхности, которая может охлаждаться.

Вы будете поражены тем, как переход от миски к тарелке резко сокращает время охлаждения каши. В электронике понять тепловое поведение печатной платы (PCB) сложнее, чем переключаться между чашей и тарелкой. Изучение всех тонкостей эффективной теплопроводности печатной платы начинается с планирования управления температурным режимом на этапе проектирования.

Что такое эффективная теплопроводность печатных плат?

Эффективная теплопроводность печатной платы отражает способность печатной платы к передаче тепла.

Термин «эффективная теплопроводность» относится к способности материала проводить и передавать тепло. Когда мы говорим конкретно об эффективной теплопроводности печатной платы, мы говорим о том, насколько хорошо печатная плата может отводить тепло, выделяемое ее компонентами, в окружающее пространство. Эффективная теплопроводность представлена ​​символом k _eff , а значения выражены в Вт/м•К.

При проектировании печатных плат эффективная теплопроводность является важным аспектом, используемым при тепловом моделировании и анализе, поскольку позволяет инженерам прогнозировать, насколько хорошо заполненная печатная плата будет проводить тепло на основе конкретных предположений и моделей. Поскольку размеры электронных модулей продолжают уменьшаться, этот параметр заслуживает внимания разработчиков.

Факторы, влияющие на эффективную теплопроводность печатной платы

Тепловая плотность влияет на эффективную теплопроводность печатной платы.

Печатная плата состоит из проводящего материала, изоляторов и смонтированных компонентов. Каждый материал, используемый в печатной плате, имеет разную теплопроводность. При расчете эффективной теплопроводности печатной платы учитывается различная теплопроводность.

Были проведены различные исследования для анализа теплопроводности печатных плат. В зависимости от исследования используются разные типы моделей и допущений. Что касается разработчиков, эффективная теплопроводность печатной платы зависит от нескольких факторов.

Размер компонента 

По мере того, как компоненты становятся меньше, уменьшается и способность рассеивать тепло естественным путем. Например, полевой МОП-транзистор в корпусе SOT-23 будет иметь меньшую площадь для тепловой площадки, чем у MOSFET в корпусе TO-220. Следовательно, размер компонентов, установленных на печатной плате, будет влиять на ее способность распространять тепло.

Тепловые переходные отверстия

Тепловые переходные отверстия — это отверстия, предназначенные для отвода тепла от компонента. Это похоже на то, как предоставить больше возможностей для выхода пара из вашей каши, а не задерживать ее в контейнере. Таким образом, естественно, это означает, что чем больше тепловых отверстий в области, тем больше они увеличивают эффективную теплопроводность печатной платы.

Внутренние слои

Наличие внутренних медных слоев также может изменить скорость и направление рассеивания тепла. Теплопроводность меди составляет 355 Вт/м·К, а FR-4 – 0,25 м·К. С несколькими внутренними слоями меди эффективная теплопроводность печатной платы уменьшится. Конечно, наличие тепловых отверстий могло бы способствовать более эффективному отводу тепла во внутренние слои.

Геометрия дорожек

Теперь, если у вас есть медные дорожки, идущие от одного конца к другому, вы можете рассчитывать на высокое значение эффективной теплопроводности на печатной плате. Однако значение может уменьшиться, если дорожки прерваны, что часто имеет место в реальной печатной плате.

Является ли эффективная теплопроводность точным подходом к тепловому моделированию печатных плат?

Эффективная теплопроводность предпочтительнее из-за простоты ее расчета при анализе. Обычно он основан на однородной модели печатной платы. Однако печатные платы редко бывают однородными, особенно многослойными. Расположение компонентов, дорожки, медная плоскость, переходные отверстия и контактные площадки могут различаться в каждом слое.

Таким образом, при расчете эффективной теплопроводности на основе традиционной модели будет допущена погрешность. Чтобы добиться более точной оценки эффективной теплопроводности, печатная плата должна быть профилирована по глубине для каждого слоя. Затем поверхность пикселизуется и анализируется для получения более точных прогнозов.

Точность эффективной теплопроводности печатных плат зависит от моделирования, а моделирование, независимо от метода, является точным настолько, насколько точен используемый программный инструмент. Если вы используете OrCAD, Sigrity PowerDC станет отличным подспорьем в тепловом анализе вашего проекта. Вы также можете использовать InspectAR для интерактивной оценки и улучшения процесса проектирования печатных плат с помощью дополненной реальности. Проверка, отладка, доработка и сборка печатных плат еще никогда не были такими простыми и точными.

Если вы хотите узнать больше о том, какое решение у Cadence есть для вас, обратитесь к нам и нашей команде экспертов.

Решения Cadence PCB — это комплексный инструмент для проектирования от начала до конца, позволяющий быстро и эффективно создавать продукты. Cadence позволяет пользователям точно сократить циклы проектирования и передать их в производство с помощью современного отраслевого стандарта IPC-2581.

Подпишитесь на Linkedin

Посетить сайт

Больше контента от Cadence PCB Solutions

Загрузка, подождите

Ошибка — что-то пошло не так!

Хотите последние новости о печатных платах?
Подпишитесь на нашу ежемесячную рассылку новостей

Спасибо!

Повышенная прочность на разрыв и теплопроводность медно-алмазных композитов с покрытием B4C

Реферат

Покрытие из карбида бора (B ₄ C) на алмазных частицах синтезировано путем нагревания алмазных частиц в порошковой смеси H ₃ BO ₃ и B в атмосфере Ar. Исследованы состав, состояние связи и доля покрытия карбидом бора на алмазных частицах. Покрытие из карбида бора лучше растет на поверхности алмаза (100), чем на поверхности алмаза (111). Композиты с медной матрицей, армированные алмазными частицами с покрытием B ₄ C, были изготовлены методом порошковой металлургии. Добавление покрытия B ₄ C привело к получению плотного композита. Исследовано влияние покрытия B ₄ C как на прочность при растяжении, так и на теплопроводность композита. Когда Б ₄ C, полностью покрытый алмазными частицами, композит продемонстрировал значительное увеличение прочности на разрыв (115 МПа), которое было намного выше, чем у композитов алмаз/медь без покрытия (60 МПа). Между тем, высокая теплопроводность 687 Вт/мК была достигнута в композитах B ₄ C-алмаз/Cu с покрытием.

Введение

Металлические композиты, армированные алмазами, обладают высокой твердостью и отличной способностью к шлифованию, что предполагает их потенциальное использование в различных областях применения, подверженных высоким нагрузкам, таких как отрезные круги и сверла для резки бетона, проходки туннелей или разведки нефти. Срок службы этих инструментов зависит от связи между алмазным армированием и окружающими матричными материалами ^1,2,3,4,5 . Кроме того, превосходная теплопроводность и низкое тепловое расширение металлических композитов, армированных алмазами, делают их полезными для теплоотводов. Теплопроводность композита также определяется состоянием границы раздела алмаза и металлической матрицы ^{6,7,8,9,10,11,12,13} . Недавно в качестве материалов-кандидатов для вышеуказанных применений были предложены композиты из меди или медных сплавов, армированные алмазами. Однако, к сожалению, медь естественным образом не смачивается и не вступает в реакцию с алмазом, что не способствует получению прочной межфазной связи для передачи напряжения и тепла ^{3, 14,15,16} .

Легирование металлической матрицы сильными карбидообразующими элементами (например, бором) улучшает межфазную структуру между медью и алмазом. Вебер и Тавангар ¹⁰ сообщили, что добавление бора в медную матрицу приводит к явному увеличению теплопроводности. Однако об этом сообщают Weidenmann et al . ³ , алмаз/Cu + 2,5%B имеет низкое значение прочности на растяжение (~50 МПа), которое близко к показателю алмаз/Cu композита (~60 МПа) ¹⁶ . Следует отметить, что реакционный процесс между бором и алмазом является сильно эндотермическим, а температура синтеза связи B-C обычно поддерживается на уровне  >2000 °C ^{17, 18} , что значительно выше температуры синтеза композита алмаз/Cu. . Таким образом, добавление бора в медную матрицу не является эффективным методом улучшения межфазной связи между алмазом и медной матрицей, поскольку между алмазом и матрицей все еще отсутствует прочная связь В-С. Кроме того, все же большая часть легирующих элементов останется в металлической матрице и окажет непредсказуемое влияние на свойства матрицы.

Поверхностная металлизация алмаза, т. е. нанесение на алмаз прочных карбидообразующих элементов, является эффективным методом улучшения свойств алмазно-металлических композитов. Элементы покрытия связываются с алмазом, образуя соответствующий карбид в процессе нанесения покрытия и сплавляясь с металлической матрицей в процессе спекания ^{7, 15, 19} . Бор прочно связывается с алмазом посредством образования карбида бора во время нанесения покрытия из карбида бора на алмаз ^{8, 20, 21} . Кроме того, Мансурзаде и др. . ²² обнаружили, что медный композит B ₄ C, армированный частицами, полученный аккумулятивной прокаткой при комнатной температуре, демонстрирует превосходную прочность на растяжение. Это указывает на то, что B ₄ C легко образует прочную связь с медью при относительно низкой температуре. Следовательно, предварительное нанесение покрытия B ₄ C на алмаз является потенциально эффективным методом получения композита алмаз/медь с высокой прочностью на растяжение и теплопроводностью.

В этой статье мы описываем значительное повышение прочности на растяжение и теплопроводности для композитов с медной матрицей, армированных алмазными частицами с покрытием B ₄ C. Покрытие B ₄ C на алмазе является проводящим для получения плотного композита алмаз/медь из-за непрерывной и прочной границы раздела. А улучшения как механических, так и термических свойств зависят от ширины межфазного зазора между алмазом и медной матрицей.

Результаты

Изображения, полученные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) для непокрытых (D0, рис. 1a) и покрытых алмазных частиц (D1-3, рис. 1b–d), показаны на рис. 1. Покрытие покрытия зависит от синтеза время. Для алмаза с двухчасовым покрытием (D1) зарождение покрытия происходит только на поверхности алмаза (111) (треугольные или шестиугольные поверхности ²⁰ ). При этом было достигнуто полное покрытие поверхности алмаза (100) (квадратные поверхности ²⁰ ), как показано на рис. 1b. Увеличение времени синтеза приводит к росту покрытия на поверхности алмаза (111). Когда время синтеза достигает 6 часов, алмазные частицы полностью покрываются покрытием. (см. рис. 4d, образец D3).

Рисунок 1

СЭМ-изображения для ( a ) типичной частицы алмаза без покрытия (D0), ( b ) алмаза с двухчасовым покрытием (D1), ( c ) алмаза с четырехчасовым покрытием (D2) и ( d ) алмаз с шестичасовым покрытием (D3).

Полноразмерное изображение

Рентгеновская дифрактограмма (XRD) алмазных частиц с шестичасовым покрытием (D3) показана на рис. 2. Как показано на рис. 2, пик высокой интенсивности расположен на 43,92 ° относится к алмазу (JCPDF # 06-0675), который частично усечен для четкого наблюдения других пиков покрытия на частице алмаза. По сравнению со стандартной PDF-картой JCPDS № 35-0798, который также показан на рис. 2, дифракционные пики, расположенные при 21,88°, 23,33°, 31,76°, 34,73°, 37,56° и 49,86°, относятся к типичной структуре B ₄ C.

Рисунок 2

Спектр рентгеновской дифракции алмазной частицы с шестичасовым покрытием (D3).

Изображение в полный размер

Спектроскопия комбинационного рассеяния света использовалась для получения дополнительной информации об условиях связывания покрытий на алмазных частицах. Спектры КР алмазных частиц с покрытием (D1-3) в диапазоне от 200 до 2000 см ^-1 показаны на рис. 3, где пик высокой интенсивности, расположенный примерно на 1333 см ^-1 , закрыт алмазом ²⁰ . Кроме того, ряд связей, расположенных на 478, 530, 720, 830, 1000 и 1085 см ⁻¹ , соответствует колебаниям основных структурных элементов, икосаэдров и трехатомных линейных цепочек в кристалле B ₄ C. ^{23,24,25,26,27} , что хорошо согласуется с рентгеноструктурным анализом. Более того, общая аморфная структура карбида бора и алмазной системы, такая как аморфный карбид бора (269и 325 см ^-1 ) или аморфный углерод (1350 и 1550 см ^-1 ) не получается в покрытии ²⁰ .

Рис. 3

Спектры комбинационного рассеяния алмазных частиц с двухчасовым (D1), четырехчасовым (D2) и шестичасовым (D3) покрытием.

Изображение в полный размер

Спектры XPS C1s для алмаза с покрытием из карбида бора показаны на рис. 4a, на котором выделены два пика. Пик, расположенный при 285,2 эВ и 282,4 эВ, относится к связям C-C и C-B ^{20, 28} соответственно. Высокая доля C-C в спектре C1s для алмаза с двухчасовым покрытием (D1) объясняется голой плоскостью алмазных частиц. Увеличение времени напыления приводит к уменьшению доли С-С в спектре С1s из-за роста карбида бора на алмазной плоскости (111). Когда время покрытия достигает 6 часов, пик связи С-С едва заметен, поскольку частицы алмаза полностью покрыты покрытием, что хорошо согласуется с результатами СЭМ. Спектры XPS B1s показаны на рис. 4b. Как показано на рис. 4b, имеется только один пик, расположенный при 187,5 эВ, который соответствует связям B-C 9.0121 20, 29 . Кроме того, атомное соотношение B:C для алмаза с шестичасовым покрытием (D3) близко к 4:1, что подтверждает наличие фазы B ₄ C в покрытии.

Рисунок 4

Спектры XPS ( a ) C1s и ( b ) B1s для алмаза с двухчасовым (D1), четырехчасовым (D2) и шестичасовым (D3) покрытием частицы.

Изображение в полный размер

На рис. 5 показана зависимость плотности композита алмаз/медь от времени нанесения покрытия. Теоретическая плотность композита ρ _{теоретическое} определяется по

$$

(1)

где ρ _D (3,52 г/см ^3, 30 ) и ρ _M (8,96 г/см ^{3, 30} ) – теоретическая плотность меди и матрицы соответственно. Кроме того, V _D (50 мас.%) и V _M (50 мас.%) — это объемные доли частиц алмаза и медной матрицы соответственно. Следовательно, теоретическая плотность композита ρ _{теоретическое} составляет 6,24  г/см ³ , что также показано на рис. 5. Однако плотность композита алмаз/медь без покрытия (C0) имеет низкое значение (5,56  г/см ³ ). При нанесении покрытия из карбида бора на алмазные армирующие частицы композит алмаз/медь демонстрирует значительное уплотнение. Для композита алмаз/медь с двухчасовым покрытием (С1) плотность, очевидно, возрастает до 5,86 г/см ³ . С дальнейшим увеличением времени покрытия плотность композита алмаз/медь постоянно увеличивается. При увеличении времени покрытия до 6 часов плотность образца D3 достигает 6,21 г/см9.0121 3 , что близко к теоретической плотности композита. Относительная плотность ρ _{относительная} определяется по формуле

2)

, где ρ _{измеренное} — измеренная плотность. Таким образом, относительная плотность композита алмазы/медь без покрытия (C0) составляет 89,05%. Нанесение покрытия из карбида бора на алмазную арматуру приводит к уплотнению композита. При увеличении времени нанесения покрытия из карбида бора до 6  часов композит показывает практически полную относительную плотность (99,52%).

Рисунок 5

Плотность композита алмаз/медь в зависимости от времени покрытия.

Изображение в натуральную величину

Прочность на растяжение в зависимости от времени нанесения покрытия показана на рис. 6. Как показано на рис. 6, нанесение покрытия из карбида бора на алмазы способствует повышению прочности на разрыв композитов алмаз/медь. Кроме того, предел прочности на разрыв композита алмаз/медь увеличивается с 60 до 115 МПа при увеличении времени нанесения покрытия из карбида бора с 0 до 6 часов.

Рисунок 6

Прочность на растяжение в зависимости от времени покрытия.

Изображение в натуральную величину

СЭМ-микрофотографии поверхностей излома при растяжении композитов алмаз/медь без покрытия (C0) и алмаз/медь с покрытием (C1-3) показаны на рис. 7. Для композита алмаз/медь без покрытия (C0, рис. 7a), наблюдается большое количество широких зазоров вокруг алмазных частиц. Между тем существует явление несмачивания между медной матрицей и алмазными частицами, которое отмечено на рис. 7а. Как показано на рис.  7b–d, нанесение покрытия из карбида бора на алмазы приводит к образованию узкого зазора, что указывает на то, что нанесение покрытия из карбида бора на алмазы способствовало уплотнению композита алмаз/медь.

Рисунок 7

СЭМ изображения поперечного сечения ( a ) непокрытый алмаз/медь (C0), ( b ) двухчасовой алмаз с покрытием/медь (C1), ( c ) четырехчасовой алмаз/медь с покрытием (C2) и ( d ) алмаз/медь с шестичасовым покрытием (C3). Вставлено увеличенное изображение части, отмеченной на рисунке d.

Изображение полного размера

На рис. 8 показана теплопроводность композитов алмаз/медь без покрытия (C0) и алмаз/медь с покрытием (C1-3). Как показано на рис. 8, композит алмаз/медь без покрытия (C0) демонстрирует низкую теплопроводность 210 Вт/мК, что даже ниже, чем теплопроводность чистой меди (385 Вт/мК·9).0121 7 ). Нанесение карбида бора на алмазы значительно улучшает теплопроводность композита. Теплопроводность композита увеличивается с увеличением времени нанесения покрытия и достигает 687 Вт/мК при использовании алмазов с шестичасовым покрытием.

Рисунок 8

Теплопроводность композитов алмаз/медь без покрытия (C0) и алмаз/медь с покрытием (C1-3).

Изображение в полный размер

Обсуждение

Относительная плотность композита алмаз/медь без покрытия (C0) составляет всего 89.0,05%, что указывает на большое количество отверстий в образце C0. Между тем, как показано на изображении поперечного сечения (рис. 6а), между непокрытым алмазом и медной матрицей наблюдается широкий межфазный зазор. Разделение между алмазом и медью образуется в процессе охлаждения из-за больших различий коэффициентов расширения между медью (17,0 × 10 ^−6
31 ) и углеродные материалы (1,0 × 10 ⁻⁶ °C ⁻¹
9{3}}=\frac{(1-{V}_{p}){V}_{D}}{(1-{V}_{p}){V}_{D}+{V} _{c}}$$

(3)

$${V}_{p}=1-{\rho }_{relative}$$

(4)

где a — радиус алмаза частиц, V _D – объемная доля алмазных частиц, V _p – пористость. Как показано на рис. 9, нанесение покрытия из карбида бора на алмазную арматуру приводит к уменьшению средней ширины зазора с 8,40 до 0,36 мкм, что хорошо согласуется с результатами РЭМ (рис. 7). Из-за скромных коэффициентов расширения карбида бора (5,65 × 10 ⁻⁶ °С ^−1
33 ), B ₄ Промежуточный слой C помогает снять межфазное термическое напряжение между медью и алмазом в процессе охлаждения. Вебер и Тавангар ¹⁰ сообщают, что 2,5 ат.% бора, легированного в медную матрицу, эффективно предотвращают отделение меди от алмаза. Ху и Конг ⁸ также обнаружили, что композит алмаз/медь демонстрирует непрерывную границу раздела за счет образования границы раздела В ₄ С между алмазом и медью. Кроме того, Ан и др. . ³⁴ и Мансурзаде и др. . ²² наблюдал непрерывные границы раздела между медью и карбидом бора в композитах Cu/B ₄ C. Поэтому мы предполагаем, что образование карбида бора способствует уплотнению композита алмаз/медь.

Рисунок 9

Ширина зазора и пористость в зависимости от времени покрытия.

Изображение в полный размер

Соотношение между пределом прочности при растяжении и средней шириной зазора обобщено на рис. 10, где предел прочности при растяжении сильно зависит от средней ширины зазора. Вместе данные о ширине зазора (рис. 9) и СЭМ-изображения (рис. 7а), для композита алмаз/медь без покрытия поверхность раздела между медной матрицей и алмазом очень слабая, что не способствует передаче напряжения, что приводит к низкой прочности на растяжение. Согласно анализу уплотнения композита, покрытие карбидом бора способствует улучшению структуры интерфейса между алмазной и медной матрицей. Очевидно, зазор вокруг алмаза способствовал расширению трещины при испытании на растяжение. Таким образом, покрытие карбидом бора способствует увеличению прочности на растяжение композита алмаз/медь из-за уменьшения средней ширины зазора между алмазной и медной матрицей. Для композита алмаз/медь с шестичасовым покрытием (C3) нет явного зазора между алмазной и медной матрицей. Таким образом, предел прочности при растяжении достигает максимального значения, поскольку непрерывная граница раздела способствует распределению напряжения.

Рисунок 10

Прочность на растяжение в зависимости от ширины зазора и пористости.

Изображение полного размера

Нанесение карбида бора на алмазы приводит к значительному увеличению теплопроводности композита алмаз/медь (см. рис. 8). Для дальнейшего понимания поведения теплопроводности композита алмаз/медь необходимо сравнить экспериментальные результаты с теоретическими предсказаниями. Хассельман и Джонсон ³⁵ предложили теоретическое уравнение для оценки эффективной теплопроводности композита K _c с учетом межфазного теплового барьера (модель H-J).

$${K}_{c}={K}_{m}(\frac{2(\frac{{K}_{r}}{{K}_{m}}-\frac{{ K}_{r}}{a{h}_{c}}-1){V}_{r}+\frac{{K}_{r}}{{K}_{m}}+\ frac{2{K}_{r}}{a{h}_{c}}+2}{(1-\frac{{K}_{r}}{{K}_{m}}+\ frac{{K}_{r}}{a{h}_{c}}){V}_{r}+\frac{{K}_{r}}{{K}_{m}}+ \frac{2{K}_{r}}{a{h}_{c}}+2})$$

(5)

где K _m и K _r – теплопроводность матрицы и армирующих частиц соответственно (K _Cu =385 Вт/мK 9{2}}$$

(6)

где ρ _m и ρ _r — теоретическая плотность матрицы и армирующей частицы соответственно. А v _m и v _r – скорость фононов в матрице и армирующей частице соответственно (v _Cu  = 2881 м/с, v _алмаз  = 13924 м/с ⁸ ). c _m – удельная теплоемкость матрицы (c _Cu =385 Дж/кгK ⁸ ). Стоит отметить, что дополнительное тепловое сопротивление, вызванное границей раздела фаз, следует учитывать, т.к. (6) в предположении идеальной связи между матрицей и подкреплением. Однако в этой работе поверхность раздела между медной матрицей и алмазными армирующими частицами состоит из Cu/B ₄ C интерфейс, B ₄ C промежуточный слой и B ₄ C/алмазный интерфейс. Следовательно, исходя из концепции аналогии электрического сопротивления, межфазную теплопроводность hc можно оценить как

$$\frac{1}{{h}_{c}}=\frac{1}{{h}_{ Cu-B4C}}+\frac{1}{{h}_{B4C}}+\frac{1}{{h}_{B4C-Diamond}}$$

(7)

$$\frac {1}{{h}_{B4C}}=\frac{t}{{K}_{B4C}}$$

(8)

где h _Cu-B4C , h _B4C и h _{B4C-алмаз} – теплопроводность интерфейса Cu/B ₄ C, промежуточного слоя B ₄ C и интерфейса B ₄ C/алмаз соответственно. K _B4C (67 Вт/мK ⁸ ) — теплопроводность B ₄ C, t — толщина слоя B ₄ C. Результаты расчетов сравниваются с экспериментальными данными на рис. 11а, при этом результаты показывают явную разницу. Увеличение времени покрытия приводит к увеличению толщины слоя B ₄ C, что приводит к снижению теоретически оцененной теплопроводности. Однако экспериментальные данные показывают увеличение с увеличением времени покрытия. Только для композита алмаз/медь с шестичасовым покрытием (C3) расчетные теоретические данные (707 Вт/мК) близки к экспериментальным данным (687 Вт/мК). СЭМ-изображение поперечного сечения на рис. 6 показывает большой зазор вокруг алмаза. Однако теоретическая оценка заключается только в учете идеального контакта между матрицей и частицами армирования. Хорошо известно, что воздух (или вакуум) является отличным теплоизоляционным слоем. Следовательно, наличие зазора в композите способствовало ухудшению теплопроводности композита. Как показано на рис. 11b, более узкая ширина зазора способствует улучшению теплопроводности композита, а экспериментальные данные близки к теоретическим данным, когда зазор отсутствует (образец C3).

Рисунок 11

( a ) Сравнение теоретически рассчитанной и экспериментальной теплопроводности композитов алмаз/медь. ( b ) Теплопроводность как функция ширины зазора.

Увеличить

Таким образом, покрытие B ₄ C на алмазных частицах было синтезировано путем нагревания алмазных частиц в порошковой смеси, состоящей из H ₃ BO ₃ и B, в атмосфере аргона. Покрытие фракции B 9Покрытие 0031 4 C сильно зависело от времени синтеза. Композиты алмаз/медь были изготовлены методом порошковой металлургии. Добавление покрытия B ₄ C привело к получению плотного композита. Кроме того, как прочность на разрыв, так и теплопроводность композита зависели от ширины межфазного зазора между алмазом и медной матрицей. Когда B ₄ C полностью покрылся алмазными частицами, композит показал почти полную относительную плотность (99,52%) и узкую ширину межфазного зазора (0,36 мкм), что привело к значительному увеличению предела прочности при растяжении (115  МПа), что значительно выше, чем у композитов алмаз/медь без покрытия (60  МПа) и композитов алмаз/медь ³ . Между тем, шестичасовой композит алмаз/медь с покрытием показал теплопроводность 687 Вт/мК, что было близко к теоретически оцененным данным (707 Вт/мК) и намного выше, чем у композита алмаз/медь без покрытия ( 210 Вт/мК).

Метод

Композитные материалы алмаз/медь были изготовлены методом порошковой металлургии методом вакуумного горячего прессования, включающего перемешивание, прессование и спекание. В качестве матричного материала использовали порошок меди (чистота 99,9%), а частицы синтетического HPHT-алмаза (HSD90, размер частиц 70/80 меш (180 ~ 212 мкм, Henan huanghe Whirlwind International Co., Ltd., Китай) с покрытием из карбида бора использовались в качестве армирующих материалов.

Для формирования покрытия из карбида бора на алмазных частицах 25 г алмазных частиц погружали в смесь, состоящую из 33 г порошков бора (В) и 23 г борной кислоты (H ₃ BO ₃ ). Смесь алмаз-порошок смешивали с помощью интенсивного механического перемешивания при комнатной температуре. Эту смесь помещали на глиноземную лодочку и помещали в трубчатую печь. Смесь алмаз-порошок нагревали до 1200 °С в течение 2, 4 и 6 часов в атмосфере аргона для синтеза покрытия из карбида бора на алмазных частицах. Уравнение реакции было 9\circ {\rm{C}}}{B}_{4}C+6CO+3{H}_{2}$$

(9)

Изменения энергии Гиббса реакций, рассчитанные термодинамическим расчетом, были −366,6 кДж/моль. После охлаждения печи образцы обрабатывали разбавленной азотной кислотой для удаления из продукта В ₂ О ₃ . Алмазы с покрытием отделяли от избытка порошков В с помощью сита. Алмазные частицы с покрытием, синтезированные для 2, 4 и 6, обозначены как D1, D2 и D3 соответственно. Кроме того, алмазные частицы без покрытия обозначаются как D0.

Порошки меди смешивали с алмазными частицами с покрытием из карбида бора для получения композита с армированием 50 об.%. Перед нагревом образца камеру печи откачивали насосом. Композитные порошки нагревали при 950 °С в течение 20 мин и прессовали под давлением около 60 МПа перед помещением в печь до комнатной температуры. Вакуум нарушался только тогда, когда температура печи достигала комнатной температуры. Композит с D0-3 в качестве армирования обозначается соответственно как C0-3.

Микроструктуру покрытия на алмазных частицах охарактеризовали с помощью рентгеновской дифракции (XRD) с использованием Bruker D8 с источником Cu Kα. Чтобы получить больше информации об условиях связывания, покрытия на алмазных частицах также были проанализированы с помощью рамановской спектроскопии с использованием системы Renishaw Micro Raman 2000 с длиной волны возбуждения 514 нм. Состояния связи покрытий далее характеризовали с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) с использованием спектрометра Physical Systems Quantum2000 с монохроматическим излучением Al Kα. Область анализа XPS была настроена на диаметр 1 мм. Образцы в анализе XPS были очищены Ar 9Травление ионным распылением 0121 + с энергией 1 кэВ для удаления поверхностных оксидов. Морфология поверхности и топография пленок были охарактеризованы с использованием сканирующего электронного микроскопа Hitachi S-4800 (SEM). Среднюю толщину покрытия измеряли по изображениям поперечного сечения РЭМ, в каждой плоскости проводили не менее пяти измерений. Средняя толщина покрытия составляет 0,2, 0,7 и 1,0 мкм для алмаза с двухчасовым покрытием (D1), алмаза с четырехчасовым покрытием (D2) и алмаза с шестичасовым покрытием (D3) соответственно.

Плотность композита измеряли высокоточным керамическим измерителем объемной плотности пористости (Dahometer, DE-120M) по методу Архимеда. Прочность на растяжение и относительное удлинение при разрыве проверяли при комнатной температуре на электронной универсальной испытательной машине (DDL 100, CIMACH, Чанчунь, Китай) при скорости 0,18 мм/мин. Морфология поперечного сечения также была получена с помощью СЭМ. Температуропроводность измеряли методом лазерной вспышки (ASTM E1461-13). Погрешность тепловых измерений составляет ±2%. Анализы дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) проводили для оценки удельной теплоемкости. Наконец, теплопроводность была рассчитана как произведение плотности, температуропроводности и удельной теплоемкости в соответствии со следующим уравнением 9.0121 36, 37 :

$${\rm{\lambda}}={{\rm{\alpha}}{\rm{\rho}}}_{измерено}C$$

(10)

, где α — коэффициент температуропроводности, ρ _{— измеренная плотность,} — измеренная плотность, а C — удельная теплоемкость. Подробные результаты представлены в таблице 1.

Таблица 1. Измерения теплопроводности композитов алмаз/медь.

Полноразмерный стол

Каталожные номера

1. Webb, S.W. Удержание алмазов в спеченных кобальтовых связках для резки камня и сверления. Алмаз и родственные материалы
   8 , 2043–2052, doi:10.1016/S0925-9635(99)00167-3 (1999).

   ОБЪЯВЛЕНИЯ
   КАС
   Статья

   Google ученый

2. Xu, X., Tie, X. & Wu, H. Влияние покрытия Ti на характеристики алмазных композитов с металлической связкой, содержащих редкоземельные элементы. Международный журнал тугоплавких металлов и твердых материалов
   25 , 244–249, doi:10.1016/j.ijrmhm.2006.06.002 (2007).

   КАС
   Статья

   Google ученый

3. Вайденманн, К. А., Тавангар, Р. и Вебер, Л. Механическое поведение металлов, армированных алмазами. Материаловедение и инженерия: A
   523 , 226–234, doi:10.1016/jmsea.2009.05.069 (2009).

   Артикул

   Google ученый

4. «>

   Sun, YH и др. . Влияние наночастиц ZrO ₂ на микроструктуру и свойства спеченных алмазных композитов на основе WC-бронзы. Материалы
   9 , 8, doi:10.3390/ma

   43 (2016).

   ОБЪЯВЛЕНИЯ

   Google ученый

5. Ли, М. и др. . Изготовление алмазных композитов на основе железа методом инфильтрации без давления. Материалы
   9 , 7, doi:10.3390/ma

06 (2016).

Google ученый

6. Шен, X.-Y., Хе, X.-B., Жэнь, S.-B., Чжан, H.-M. & Qu, X.-H. Влияние молибдена как межфазного элемента на теплопроводность композитов алмаз/медь. Журнал сплавов и соединений
   529 , 134–139, doi:10.1016/j.jallcom.2012.03.045 (2012).

   КАС
   Статья

   Google ученый

7. «>

   Zhang, Y., Zhang, H.L., Wu, J.H. & Wang, X.T. Повышенная теплопроводность в композитах с медной матрицей, армированных алмазными частицами с титановым покрытием. Scripta Materialia
   65 , 1097–1100, doi:10.1016/j.scriptamat.2011.09.028 (2011).

   КАС
   Статья

   Google ученый

8. Hu, H. & Kong, J. Улучшенные тепловые характеристики алмазно-медных композитов с покрытием из карбида бора. Журнал инженерии материалов и производительности
   23 , 651–657, doi:10.1007/s11665-013-0780-z (2014).

   КАС
   Статья

   Google ученый

9. Шуберт, Т. и др. . Межфазная характеристика композитов Cu/алмаз, полученных методом порошковой металлургии, для применения в теплоотводах. Scripta Materialia
   58 , 263–266, doi:10. 1016/j.scriptamat.2007.10.011 (2008).

   КАС
   Статья

   Google ученый

10. Вебер Л. и Тавангар Р. О влиянии содержания активного элемента на теплопроводность и тепловое расширение алмазных композитов Cu–X (X = Cr, B). Scripta Materialia
    57 , 988–991, doi: 10.1016/j.scriptamat.2007.08.007 (2007).

    КАС
    Статья

    Google ученый

11. Чу К., Цзя К., Го Х. и Ли В. О теплопроводности композитов Cu–Zr/алмаз. Материалы и конструкция
    45 , 36–42, doi:10.1016/j.matdes.2012.09.006 (2013).

    КАС
    Статья

    Google ученый

12. Йошида К. и Моригами Х. Термические свойства композитного материала алмаз/медь. Микроэлектроника Надежность
    44 , 303–308, doi:10. 1016/s0026-2714(03)00215-4 (2004).

    КАС
    Статья

    Google ученый

13. Schubert, T., Trindade, B., Weißgärber, T. & Kieback, B. Межфазный дизайн композитов на основе меди, полученных методом порошковой металлургии, для применения в теплоотводах. Материаловедение и инженерия: A
    475 , 39–44, doi:10.1016/jmsea.2006.12.146 (2008).

    Артикул

    Google ученый

14. Сан, К. и Инал, О. Т. Изготовление и определение характеристик алмазно-медных композитов для применения в качестве подложек с терморегулированием. Материаловедение и инженерия: B
    41 , 261–266, doi:10.1016/S0921-5107(96)01664-9 (1996).

    Артикул

    Google ученый

15. Абызов А. М., Кидалов С. В., Шахов Ф. М. Высокотеплопроводный композит алмазных частиц с вольфрамовым покрытием в медной матрице для применения в качестве теплоотвода. Прикладная теплотехника
    48 , 72–80, doi:10.1016/j.applthermaleng.2012.04.063 (2012).

    КАС
    Статья

    Google ученый

16. Чжао, К. и Ван, Дж. Улучшенные механические свойства алмазно-медных композитов с покрытием из карбида хрома для конструкционных применений. Материаловедение и инженерия: A
    588 , 221–227, doi:10.1016/jmsea.2013.090,034 (2013).

    КАС
    Статья

    Google ученый

17. Сури А.К., Субраманиан К., Сонбер Дж.К. и Мурти Т.С.Р.С. Синтез и консолидация карбида бора: обзор. Международные обзоры материалов
    55 , 4–40, doi:10.1179/095066009×12506721665211 (2010).

    КАС
    Статья

    Google ученый

18. Голлер Г., Той С., Текин А. и Гупта С. К. Производство карбида бора путем карботермического восстановления. Высокотемпературный. Матер. проц.
    15 , 117–122, doi:10.1515/HTMP.1996.15.1-2.117 (1996).

    КАС
    Статья

    Google ученый

19. Ву, Дж. Х., Чжан, Х. Л., Чжан, Ю., Ли, Дж. В. и Ван, X. Т. Роль титанового покрытия в повышении прочности на разрыв композитов Al/алмаз. Материаловедение и инженерия: A
    565 , 33–37, doi:10.1016/jmsea.2012.11.124 (2013).

    КАС
    Статья

    Google ученый

20. Сан, Ю. и др. . Повышение стойкости к окислению за счет самовосстанавливающегося покрытия из карбида бора на алмазных частицах. Науч. Реп . 6 , doi: 10.1038/srep20198 (2016).

21. Рас, А. Х., Ауре, Ф. Д. и Нел, Дж. М. Покрытия из карбида бора на алмазных частицах. Алмаз и родственные материалы
    19 , 1411–1414, doi:10.1016/j.diamond.2010.08.013 (2010).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    КАС
    Статья

    Google ученый

22. Мансурзаде, С., Хоссейни, М., Салахинежад, Э. и Ягтин, А. Х. Композиты с металлической матрицей Cu-(B4C)p, обработанные накопительным валковым соединением. Прогресс в области естественных наук: Materials International
    26 , 613–620, doi:10.1016/j.pnsc.2016.11.006 (2016).

    КАС
    Статья

    Google ученый

23. Aselage, T. L., Tallant, D. R. & Emin, D. Isotope dependencies of Raman spectra of B ₁₂ As ₂ , B ₁₂ P ₂ , B ₁₂ O ₂ , and B _12+x C _3−x : Склеивание интерикосаэдрических цепей. Физический обзор B
    56 , 3122–3129, doi:10.1103/PhysRevB.56.3122 (1997).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    КАС
    Статья

    Google ученый

24. Werheit, H. и др. . О достоверности спектров комбинационного рассеяния богатых бором твердых тел. Журнал сплавов и соединений
    291 , 28–32, doi:10.1016/S0925-8388(99)00260-1 (1999).

    КАС
    Статья

    Google ученый

25. Лаццари Р., Васт Н., Бессон Дж. М., Барони С. и Дал Корсо А. Атомная структура и вибрационные свойства икосаэдрического карбида бора B ₄ C. Письма о физическом обзоре
    83 , 3230–3233, doi:10.1103/PhysRevLett.83.3230 (1999).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    КАС
    Статья

    Google ученый

26. «>

    Ге, Д., Домнич, В., Юлиано, Т., Стач, Е. А. и Гогоци, Ю. Структурное повреждение карбида бора при контактной нагрузке. Acta Materialia
    52 , 3921–3927, doi:10.1016/j.actamat.2004.05.007 (2004).

    КАС
    Статья

    Google ученый

27. Таллант, Д. Р., Аселаж, Т. Л., Кэмпбелл, А. Н. и Эмин, Д. Структура карбида бора с помощью рамановской спектроскопии. Физический обзор B
    40, 5649–5656, doi:10.1103/PhysRevB.40.5649 (1989).

28. Meng, Q. N. и др. . Осаждение и определение характеристик реактивных пленок карбида циркония, напыленных магнетроном. Технология поверхностей и покрытий
    232 , 876–883, doi:10.1016/j.surfcoat.2013.06.116 (2013).

    КАС
    Статья

    Google ученый

29. «>

    Cermignani, W., Paulson, T.E., Onneby, C. & Pantano, C.G. Синтез и определение характеристик углерода, легированного бором. Углерод
    33 , 367–374, doi:10.1016/0008-6223(94)00160-2 (1995).

    КАС
    Статья

    Google ученый

30. Вилджоен, П. Е., Роос, В. Д., Сварт, Х. К. и Холлоуэй, П. Х. Измерения формы углеродного оже-пика при характеристике реакций на (001) алмазе. Прикладная наука о поверхности
    100 , 612–616, doi:10.1016/0169-4332(96)00349-2 (1996).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

31. Clyne, T.W. & Withers, P.J. Введение в композиты с металлической матрицей . (1993).

32. Рух, П. В., Беффорт, О., Кляйнер, С., Вебер, Л. и Угговитцер, П. Дж. Селективное межфазное связывание в композитах Al(Si)-алмаз и его влияние на теплопроводность. Композиты Наука и технология
    66 , 2677–2685, doi:10.1016/j.compscitech.2006.03.016 (2006).

    КАС
    Статья

    Google ученый

33. Якель, Х.Л. Расширение решетки двух карбидов бора между 12 и 940 °C. Журнал прикладной кристаллографии
    6 , 471–473, doi: 10.1107/S0021889873009246 (1973).

    КАС
    Статья

    Google ученый

34. Ан, Б.-В., Ким, Дж.-Х., Хамад, К. и Юнг, С.-Б. Микроструктура и механические свойства композита с армированной частицами меди B4C, полученного сваркой трением с перемешиванием. Журнал сплавов и соединений
    693 , 688–691, doi: 10.1016/j.jallcom.2016.08.304 (2017).

    КАС
    Статья

    Google ученый

35. Хассельман, Д. и Джонсон, Л.Ф. Эффективная теплопроводность композитов с межфазным сопротивлением тепловому барьеру. J. Compos. Матер.
    21 , 508–515, doi: 10.1177/002199838702100602 (1987).

    ОБЪЯВЛЕНИЯ
    Статья

    Google ученый

36. Чу, К., Цзя, К., Го, Х. и Ли, В. О теплопроводности композитов Cu-Zr/алмаз. Материалы и конструкция
    45 , 36–42, doi:10.1016/j.matdes.2012.09.006 (2013).

    КАС
    Статья

    Google ученый

37. Чу, К. и др. . Изготовление и эффективная теплопроводность многослойных углеродных нанотрубок, армированных композитами с медной матрицей, для теплоотводов. Композиты Наука и технология
    70 , 298–304, doi:10.1016/j.compscitech.2009.10.021 (2010).

    КАС
    Статья

    Google ученый

Ссылки на скачивание

Благодарности

Мы высоко ценим поддержку Национального фонда естественных наук Китая (№ 41502344) и Китайского фонда докторантуры (№ 2014M560236 и 2016T).

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Инженерно-строительный колледж, Цзилиньский университет, Чанчунь, 130026, Китайская Народная Республика

   Юхун Сун, Линкай Хэ, Чи Чжан, Циннань Мэн,

   0000 Гао Гао8

2. Ключевая лаборатория технологии бурения и эксплуатации в сложных условиях, Министерство земли и ресурсов, Чанчунь, 130061, Китайская Народная Республика

   Юхонг Сун, Линкай Хе, Чи Чжан, Циннань Мэн, Баочан Лю и Ке Гао

3. Государственный Ключевая лаборатория сверхтвердых материалов, Цзилиньский университет, Чанчунь, 130012, Китайская Народная Республика

   Юхун Сун, Баочан Лю, Мао Вэнь и Вэйтао Чжэн

4. Факультет материаловедения, Цзилиньский университет, Чанчунь, 130012, Китайская Народная Республика

   Mao Wen & Weitao Zheng

Авторы

1. Youhong Sun

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

2. Linkai He

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

3. Chi Zhang

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Академия

4. Qingnan Meng

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

5. Baochang Liu

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

6. Ke Gao

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

7. Мао Вэнь

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

8. Weitao Zheng

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

Contributions

Q. N.M. и Ю.Х.С. разработал эксперимент. Л.К.Х. провел пробоподготовку. М.В. и В.Т.З. выполнили рентгенодифракционные и рамановские измерения. Ч.З. провела СЭМ-анализ. КГ. выполнили измерения прочности на растяжение, B.C.L. выполнили измерения теплопроводности, а Y.H.S. написал бумагу. Все авторы обсудили данные и прокомментировали статью.

Автор, ответственный за переписку

Переписка с
Циннань Мэн.

Заявление об этике

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Дополнительная информация

Примечание издателя: Springer Nature остается нейтральной в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Права и разрешения

Открытый доступ Эта статья находится под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 International License, которая разрешает использование, совместное использование, адаптацию, распространение и воспроизведение на любом носителе или в любом формате при условии, что вы укажете автора(ов) оригинала и источник, предоставьте ссылку на лицензию Creative Commons и укажите, были ли внесены изменения. Изображения или другие сторонние материалы в этой статье включены в лицензию Creative Commons для статьи, если иное не указано в кредитной строке материала. Если материал не включен в лицензию Creative Commons статьи, а ваше предполагаемое использование не разрешено законом или выходит за рамки разрешенного использования, вам необходимо получить разрешение непосредственно от правообладателя. Чтобы просмотреть копию этой лицензии, посетите http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Перепечатка и разрешения

Об этой статье

Эту статью цитирует

• Прогресс исследований в области модификации интерфейса и поведения теплопроводности алмазно-металлических композитов

  • Пин Чжу
  • Пингпинг Ван
  • Гаохуэй Ву

  Международный журнал минералов, металлургии и материалов (2022)

• Композиты медь/алмаз с высокой теплопроводностью: современное состояние

  • С. К. Цзя
  • Ф. Ян

  Журнал материаловедения (2021)

• Механические свойства композитов Cu-B/алмаз, полученных инфильтрацией под давлением газа

  • Гуанчжу Бай
  • Юнцзян Чжан
  • Хайлун Чжан

  Journal of Materials Engineering and Performance (2020)

• Достижения в применении биомиметической инженерии поверхности в нефтегазовой промышленности

  • Янбао Го
  • Чжэн Чжан
  • Сивэй Чжан

  Трение (2019)

• Повышенная прочность на изгиб и теплопроводность алмазно-алюминиевых композитов с покрытием B4C

  • Юхонг Сун
  • Чи Чжан
  • Цзиньхао Ву

  Научные отчеты (2018)

Комментарии

Отправляя комментарий, вы соглашаетесь соблюдать наши Условия и Правила сообщества. Если вы обнаружите что-то оскорбительное или не соответствующее нашим условиям или правилам, отметьте это как неприемлемое.

Что такое теплопроводность? Определение, единицы, формула, примеры, вода, воздух, медь, алюминий, сталь, стекло

В этой статье мы узнаем, что такое теплопроводность, ее определение, единицы, формула или уравнение, примеры для воды, воздуха, меди, алюминий, сталь, стекло и т. д.

Давайте исследовать!

Что такое теплопроводность? Определение

Давайте попробуем понять, что вы подразумеваете под теплопроводностью?

Основы теплопроводности

Способность материала проводить тепло называется теплопроводностью и обозначается как «k», «λ» или «κ». Обсуждаемая величина включена в теплофизические свойства.

• Противоположностью теплопроводности является удельное тепловое сопротивление.
• Для радиаторов используются материалы с высокими значениями теплопроводности, а материалы с низкими значениями используются в качестве теплоизоляторов.

Теплопроводность Определение

Теплопроводность – это присущее материалу свойство проводить или передавать тепло или электричество.

• Это один из методов теплопередачи, остальные — конвекция и излучение.
• Это процесс, происходящий посредством контакта и молекулярного возбуждения без участия самого вещества.

Тепло передается по градиенту температуры, т. е. всегда перемещается от места с высокой температурой к месту с низкой температурой.

• Его также можно определить как движение от области высокой молекулярной энергии к области низкой молекулярной энергии.
• Уравнения скорости используются для определения теплопередачи.
• Одним из известных законов является закон теплопроводности Фурье.
• Подробно объяснено в разделе Закон Фурье блога.

Ознакомьтесь с нашим «Обучающим приложением MechStudies» в iOS и Android

Измерение теплопроводности

Давайте посмотрим, как измерить теплопроводность?

Существует несколько методов измерения теплопроводности. В целом есть два метода;

• Стационарный метод
• Переходный метод

Стационарный метод 

Он включает измерение, при котором рассматриваемый материал не изменяет температуру со временем. Это выгодно, так как это приводит к простому анализу из-за постоянной температуры.

Основным недостатком является то, что для проведения экспериментов требуется правильно спроектированная установка. Метод Серла Бара и метод диска Ли относятся к стационарным методам.

Техника переходных процессов

Включает запись измерений в процессе нагрева. Основным преимуществом этого метода является быстрота и простота измерений. Однако недостатком является сложность математического анализа данных во время экспериментов. Метод лазерной вспышки и метод линейного источника переходных процессов классифицируются как методы переходных процессов.

Следовательно, существует несколько методов, но широко используются описанные выше два метода. Каждый метод имеет свои плюсы и минусы. Еще один важный момент, который следует учитывать, заключается в том, что легче изучать тепловые свойства твердых тел, чем жидкостей.

Ознакомьтесь с нашим 100% объяснением  Решенный тест

Единицы измерения теплопроводности и коэффициент

Единицы измерения теплопроводности

Температура, длина, масса и время – это измерения, выражающие теплопроводность. Единицей СИ рассматриваемой величины является Wm 9.0121 -1 K ^-1 (ватт на метр-кельвин). Величина также выражается в терминах мощность/(длина*температура), определяемая как скорость теплопроводности через материал единичной толщины для каждой разницы температур по шкале Кельвина.

Коэффициент теплопроводности

«К» — это коэффициент теплопроводности, который является параметром материала и сильно зависит от температуры, физических свойств материала, давления на материал и содержания воды. Коэффициент «К» измеряется в ваттах на метр-кельвин (Вт/м·К).

Вещества с большим значением «k» являются хорошими проводниками тепла, тогда как вещества с малым значением являются хорошими теплоизоляторами каждое вещество имеет различную способность проводить тепло. Математическое уравнение для описания теплопроводности материала выглядит следующим образом:

K = (QL)/(A∆T)

В приведенной выше формуле или уравнении теплопроводности0007

• K : показывает теплопроводность в Вт/м·К
• Q : показывает количество тепла, передаваемого через материал в джоулях/секунду или ваттах
• L : показывает расстояние между двумя изотермическими плоскостями
• A : представляет площадь поверхности в квадратных метрах
• ΔT : демонстрирует разницу температур в Кельвинах

Закон Фурье и формула

Это закон теплопроводности, также называемый законом теплопроводности.

• Заявление 

Закон гласит, что теплопередача через материал прямо пропорциональна отрицательному градиенту температуры и площадным тепловым потокам.

• Математическая форма

Математическая форма в соответствии с утверждением закона Фурье:

Q = -K. ∇ T

• ∇T в формуле – градиент температуры,
• q – тепловой/тепловой поток,
• k – коэффициент теплопроводности рассматриваемого материала.

Формула и формула закона Видемана-Франца

Тепловая и электрическая проводимость материалов выражается в терминах закона, известного как закон Видемана-Франца. Закон дает соотношение между теплопроводностью и электропроводностью металлов.

• Заявление 

Закон описывает взаимосвязь теплопроводности металлов с электропроводностью и отражает идею о том, что хорошие электрические проводники также являются хорошими теплопроводниками.

• Математическое представление

Закон обосновывается математической формулой, приведенной ниже.

Kσ=LT

В приведенной выше формуле или уравнении теплопроводности

• K : является электрическим компонентом теплопроводности
• σ : представляет собой теплопроводность
• T : демонстрирует абсолютную температуру
• L : показывает LIRENTERZ NUMPLIS

LAINGENTRINZ. приведен ниже:

Где k — постоянная Больцмана, а e — заряд электрона. В течение 150 лет закон считался довольно стабильным, но недавние исследования доказали, что у него есть некоторые ограничения.

Факторы, влияющие на теплопроводность

На теплопроводность влияют различные факторы. Некоторые из них подробно описаны ниже.

Температура

Температура является важным фактором, влияющим на теплопроводность металлов и неметаллов. Несколько других условий также обсуждаются ниже в соответствующих заголовках.

В металлах

Теплопроводность металлов связана со свободными электронами и, согласно закону Видемана-Франца (обсуждаемому выше в блоге), пропорциональна абсолютной температуре и электропроводности.

Повышение температуры приводит к уменьшению электропроводности чистых металлов, что показывает, что их теплопроводность изменяется с повышением температуры. Аналогично, когда температура достигает 0 К, наблюдается резкое снижение.

Теплопроводность сплавов металлов увеличивается с повышением температуры, но заметного изменения электропроводности не наблюдается. Значение теплопроводности большинства чистых металлов достигает пика при температуре от 2 до 10 К.

В неметаллах 

Теплопроводность неметаллов связана с колебаниями решетки. Теплопроводность неметаллов существенно не меняется при высоких температурах.

Теплопроводность и соответствующая теплоемкость уменьшаются, когда температура падает ниже температуры Дебая.

• Химическая фаза вещества

При фазовом изменении материала наблюдается резкое изменение его теплопроводности; Например, теплопроводность льда изменяется от 2,18 Вт·м ^-1 К ^-1  до 0,56 Вт·м ^-1 К ^-1 при переходе в жидкую фазу.

• Электропроводность материала

Закон Видемана устанавливает взаимосвязь между теплопроводностью и электропроводностью, которая применима только к металлам. В случае неметаллов электропроводность не влияет на теплопроводность.

• Структура материала

На теплопроводность также влияет структура материала. В зависимости от направления, в котором распространяется тепло, некоторые материалы имеют разную теплопроводность, называемую анизотропными материалами. Следовательно, расположение конструкции является важным фактором, определяющим, насколько легко тепло будет течь в определенном направлении.

• Газы, неметаллические твердые вещества и металлические твердые вещества

Исходя из тенденций теплопроводности, существуют три основные категории материалов; газы, металлические твердые вещества и неметаллические твердые вещества. Различие в теплопередаче между ними может быть связано с разными структурами.

Из-за свободного движения частиц газ имеет низкие значения теплопроводности; следовательно, они также являются плохими теплопередатчиками. В металлических твердых телах частицы или молекулы удерживаются в решетчатой ​​структуре, и поэтому теплопроводность в значительной степени осуществляется за счет вибрации.

Неметаллические твердые вещества имеют значительные различия, но в двух словах теплопроводность неметаллических твердых тел выше. Напротив, с учетом вариации материалы с большими воздушными карманами будут действовать как хорошие изоляторы, а материалы с плотными пакетами частиц будут иметь высокое значение теплопроводности.

Теплопроводность твердых металлических тел резко отличается от двух других категорий. Металлы обладают самой высокой теплопроводностью, что можно объяснить наличием свободных электронов.

• Термическая анизотропия

Различия в связи фононов вдоль определенной оси кристалла приводят к разной теплопроводности материалов вдоль разных осей кристалла. Наличие тепловой анизотропии свидетельствует о том, что поток тепла может не совпадать с направлением градиента температуры.

• Влияние магнитного поля

Эффект Магги-Райта-Ледук может объяснить изменение теплопроводности проводника, помещенного в магнитное поле. Когда мы применяем магнитное поле, видно развитие ортогонального температурного градиента.

• Изотопная чистота земной коры

Изотопная чистота кристалла также влияет на теплопроводность материала. Рассмотрим пример: теплопроводность алмаза типа IIa (98,9% изотопа углерода-12) составляет 10000 Вт·м ^-1 К ^-1 , а алмаз с обогащением 99,9% составляет 41000 Вт·м ^-1 К ^-1 . Следовательно, разницу можно увидеть, сравнив оба значения.

Материалы и теплопроводность воздуха, воды, меди, стали, стекла, кремния, латуни, пластика, эпоксидной смолы

В разных разделах блога обсуждалась идея о том, что теплопроводность варьируется от материала к материалу в зависимости от нескольких факторов.

Каждое вещество относится к разным категориям и, следовательно, имеет уникальное значение теплопроводности. Основные материалы и их теплопроводность относительно их структуры и других свойств обсуждаются ниже.

Теплопроводность значительно зависит от температуры и давления для различных материалов. Тем не менее, значения теплопроводности некоторых основных материалов при определенных температурах ниже на основании некоторых тестов. В таблице приведены значения для каждого материала.

1

• 0,591 486

71487

76

Materials	Thermal Conductivity W/m K
Air	0.024 at 0 degrees celsius
Water	At 20 degrees celsius
Вода дистиллированная	0,598
Вода пресная водопроводная	0,599
Вода водопроводная отстоянная	Sugar solution 5 mass %	0. 598
Salt solution 5 mass %	0.580
Water vapors	0.016
ice	2.18
Copper	386 при 20 градусах Цельсия
Сталь	При 20 градусах Цельсия
Нержавеющая сталь 59 86
Steel mild	50
Glass	1.05 at 20 degrees celsius
Silicon	At 100 degrees celsius
Pure material	145
Легированный материал	98
Латунь (60/40)	96 при 20 градусах Цельсия	At 20 degrees celsius
Acrylic (perspex)	0. 20
Nylon 6	0.25
Polyethylene (low density)	0.33
Polyethylene(high density)	0.50
Epoxy	At 20 degrees celsius
Epoxy	0.17
Epoxy glass fiber	0,23

Различные материалы и теплопроводность

Теплопроводность воздуха

Воздух представляет собой смесь газов и состоит из азота (78,08 об. %) и кислорода (20,95 об. %). Кроме того, воздух содержит 0,94 об. % инертных газов и 0,03 об. % углекислого газа.

Воздух такого состава сухой, а его молекулярная масса М = 28,96 г/моль. Теплопроводность воздуха при нуле градусов Цельсия равна 0,024 Вт·м ^-1 К ^-1 . Поведение теплопроводности воздуха такое же, как и вязкости.

В жидкой фазе теплопроводность уменьшается с повышением температуры, тогда как в газовой фазе она увеличивается. При низком давлении и высокой температуре теплопроводность резко возрастает за счет диссоциации.

Теплопроводность воды

Вода состоит из водорода и кислорода и существует в виде жидкости, газа и твердого тела. Он не имеет вкуса и запаха при комнатной температуре, а вода является важным компонентом, поддерживающим жизнь.

Вода известна как «Универсальный растворитель» и имеет стабильную теплопроводность при 20 градусах Цельсия. Различные типы воды и значения их теплопроводности в Вт/м·К приведены в таблице выше. Большинство тестов проводится при температуре 20 градусов по Цельсию.

Пресная вода имеет значение теплопроводности 0,599 Wm ^-1 K ^-1 при 20 градусах Цельсия, в то время как остальные формы воды и теплопроводности указаны в таблице выше. Вода является хорошим проводником тепла и электрического тока.

Теплопроводность меди

Красноватый химический элемент и чрезвычайно пластичный металл, принадлежащий к 11-й группе периодической таблицы, — медь.

Металл встречается в природе в свободном металлическом состоянии и является проводником тепла и электричества. При 20 градусах Цельсия медь имеет теплопроводность 386 Wm ^-1 K ^{-1 .}

Теплопроводность стали

Сталь представляет собой сплав железа с добавлением нескольких других материалов, а нержавеющая сталь содержит дополнительно 11% хрома.

Высокая прочность на разрыв и низкая стоимость делают сталь идеальным и незаменимым элементом в наиболее распространенных секторах, таких как

• строительство,
• различные отрасли промышленности,
• инфраструктура,
• инструменты,
• снасти,

908,

• автомобилей,
• кораблей,
• ядерных,
• машин и т. д.

Сталь универсальна и может сочетаться с различными элементами, в результате чего получается 3500 различных марок металлов. Значение теплопроводности стали довольно низкое по сравнению со всеми металлами, поэтому они известны как плохие теплопроводники.

Они идеально подходят для использования в качестве изоляторов, поскольку очень медленно переносят тепло. Теплопроводность нержавеющей стали и низкоуглеродистой стали составляет 25 Вт·м 90 121 -1 90 122 К ^{-1 90 122 и 50 Вт·м 90 121 -1 90 122 К -1 соответственно. Их лучше всего использовать в высокотемпературных средах, таких как двигатели самолетов или автомобилей.}

Теплопроводность стекла

Стекло представляет собой некристаллическое и аморфное твердое вещество, прозрачное и широко используется для различных целей, поскольку оно является аморфным твердым телом.

Следовательно, стекло имеет низкую теплопроводность, которая составляет 1,05 Вт·м ^-1 К ^-1 при 20 градусах Цельсия. Песок и некоторые другие минералы плавятся, образуя стекло.

Материал широко используется в декоративных и технологических целях, а также для обшивки окон.

Теплопроводность кремния

Слово происходит от латинского silex, означающего «кремень или твердый камень». Кремний — неметаллический элемент, относящийся к углероду, является важным компонентом в полупроводниковой промышленности и составляет около 27,7 % земной коры.

Уступая кислороду, этот элемент является вторым по распространенности элементом в земной коре.

Этот компонент необходим при моделировании электротермических устройств или при интерпретации методов быстрых переходных процессов для измерения теплового импеданса, поскольку в этой области требуется теплопроводность кремния.

Чистый кремний и легированный материал имеют значения теплопроводности 145 и 98 Wm ^-1 K ^-1 . Это хороший проводник тепла, а также полупроводник.

Теплопроводность латуни

Латунь представляет собой сплав меди и цинка, и коэффициенты различаются для разных видов латуни.

Сплав имеет привлекательный и эстетичный внешний вид, обладает большей ковкостью, устойчив к коррозии и имеет низкую температуру плавления.

Поскольку материал не является ферромагнитным, его можно легко отделить от других металлов для переработки.

Латунь (60/40) с теплопроводностью 96 Вт·м ^-1 К ^-1 . Это хороший проводник тепла, а акустические свойства этого металла делают его идеальным и обязательным для использования в музыкальных инструментах.

Теплопроводность пластмассы

Пластмасса представляет собой полимер, такой же, как и синтетические волокна, и при размягчении ему можно придавать любую форму и размер, а при затвердевании из него можно производить прочные изделия.

Это широкий термин, который относится к большому классу полусинтетических и синтетических органических полимеров. Некоторые из них: акрил (плексиглас), нейлон 6, полиэтилен (низкой плотности), полиэтилен (высокой плотности), имеющие значения теплопроводности 0,20, 0,25, 0,33, 0,50 Вт·м ^-1 K ^-1 соответственно.

Пластик происходит от греческого слова «пластикос», что означает «лепить». Пластмассы имеют низкую теплопроводность и поэтому подходят для изоляции.

Механическая прочность полиэтилена ниже, чем у других пластиков, и он является хорошим изолятором электричества.

Теплопроводность эпоксидной смолы

Эпоксидная смола является основным компонентом семейства эпоксидных смол и широко используется в коммерческих целях и в различных промышленных продуктах.

Они известны как эпоксидные смолы, эпоксиды или эпоксиды и представляют собой широкую группу реакционноспособных соединений, характеризующихся наличием эпоксидного кольца.

Эпоксидная смола универсальна и может сочетаться с различными отвердителями для достижения свойств, необходимых для конкретного применения.

Эпоксидные смолы обладают очень низкой теплопроводностью и в основном используются в качестве изоляционного материала. Значения теплопроводности эпоксидной смолы и эпоксидного стекловолокна составляют 0,17 и 0,23 Вт·м 9 .0121 -1 К ^-1, соответственно.

Высший курс

Основы теплопередачи Часть 1

Основы теплопередачи Часть 2

Усовершенствованный теплообмен: теплообменники

Усовершенствованный теплообмен: тепловое излучение

Теплообменники: принципы, работа и конструкция

Заключение

Теплопроводность – это теплофизическое свойство веществ, характеризующееся способностью вещества проводить тепло. Различные вещества имеют разные значения теплопроводности в зависимости от температуры, давления, структуры и класса материала. Есть еще несколько факторов, влияющих на недвижимость и ее стоимость.

Единицей рассматриваемой величины в системе СИ является Wm ^-1 K ^-1 (ватт на метр-кельвин). Для расчета теплопроводности материала используется несколько методов, но наиболее распространенными являются переходные и стационарные методы.

Некоторые методы относятся к этим двум широким категориям. Наиболее важными факторами, влияющими на теплопроводность, которые подробно обсуждаются в блоге, являются температура, тепловая анизотропия, магнитное поле, изотопная чистота кристалла, электропроводность, структура, фаза материала и т. д. 

Два известных закона, такие как закон Фурье и закон Видмана, обсуждаются в блоге и их соответствующие формулы. Различные значения теплопроводности сделают одни материалы лучшими теплоизоляторами, а другие — лучшими проводниками тепла.

Наши приложения

Проверьте наши «Mechstudies — The Learning App» в IOS и Android

Vief

Наши 100% решенные Quiz

Проверьте наши самые просмотр.0007

What is thermodynamics

Intensitve & Extensive Properties

What is Pressure

Bernoulli’s theorem

Venturi meter

Pump basics

Globe valve

Siphon

Reference Articles

Preparation and properties of thermally conductive copper бумага :: Биоресурсы

Конг Х., Чен С., Хе В., Чен К., Ву Дж., Ма Х. и Ян Ф. (2018). «Получение и свойства теплопроводной медной бумаги», Биорез. 13(2), 3986-3993.

---

Abstract

Новая теплопроводная медная бумага была изготовлена ​​из целлюлозной массы и сверхтонкого медного порошка в традиционном процессе производства бумаги. Теплопроводность медной бумаги исследовали в различных весовых соотношениях, а морфологию поверхности наблюдали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Результаты показали, что добавление медного порошка заметно повышает теплопроводность медной бумаги с максимальным значением до 0,560 Вт•м-1•К-1 при весовом соотношении целлюлоза/медь 1:12, что является увеличение на 143% по сравнению с бумагой без меди. Изображения сканирующей электронной микроскопии показали, что медные бумаги состоят из частиц медного порошка, компактно распределенных по поверхности волокна. Показатель растяжения медной бумаги уменьшился по сравнению с бумагой без наполнителя. Процесс каландрирования использовался для улучшения сочетания медных частиц и волокон и повышения теплопроводности медной бумаги.

---

Скачать PDF

---

Полный текст статьи

Получение и свойства теплопроводной медной бумаги

Haohui Kong, ^a, * Senlin Chen, ^a Weijian He, ^b Cuiling Chen, ^a Junzhang Wu, ^a Hongyan Ma, ^{b 7 10 90 90 12  and Fei}

Новая теплопроводная медная бумага была изготовлена ​​из целлюлозной массы и сверхтонкого медного порошка в традиционном процессе изготовления бумаги. Теплопроводность медной бумаги исследовали в различных весовых соотношениях, а морфологию поверхности наблюдали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Результаты показали, что добавление медного порошка заметно увеличивает теплопроводность медной бумаги, максимально до 0,560 Вт•м9.0121 -1 • К ^-1  в весовом соотношении целлюлоза/медь 1:12, что на 143% больше по сравнению с бумагой без меди. Изображения сканирующей электронной микроскопии показали, что медные бумаги состоят из частиц медного порошка, компактно распределенных по поверхности волокна. Показатель растяжения медной бумаги уменьшился по сравнению с бумагой без наполнителя. Процесс каландрирования использовался для улучшения сочетания медных частиц и волокон и повышения теплопроводности медной бумаги.

Ключевые слова: Бумага медная; Теплопроводность; Сверхтонкий медный порошок

Контактная информация: a: China Tobacco Guangdong Industrial Co., Ltd, Технологический центр, Гуанчжоу 510385, Китай; b: Южно-Китайский технологический университет, Государственная ключевая лаборатория целлюлозно-бумажной промышленности, Гуанчжоу 510640, Китай;

ВВЕДЕНИЕ

Достижения в области электронных корпусов привели к растущей потребности в разработке высокотеплопроводных, недорогих и экологически безопасных теплопроводных материалов (Amon и др. 2001; Киш 2002; Конг и др.  2011). Полимерные композиты, наполненные проводящими металлическими частицами, представляют интерес для многих областей техники (Серкан Текче, и др., , 2007 г.). Тепловые характеристики этих композитов аналогичны свойствам металлов, тогда как механические свойства и способы обработки типичны для полимера.

Целлюлоза — старейший и наиболее распространенный природный полимер на Земле, а также самый ценный природный возобновляемый ресурс. Однако традиционная бумага, изготовленная из растительного волокна, имеет плохую теплопроводность, что ограничивает ее применение и развитие во многих областях. Кроме того, растительные волокна имеют высокое отношение длины к диаметру, удельную прочность и удельную площадь поверхности (Hui и др. 2005). Таким образом, целлюлоза может стать превосходным материалом для использования в качестве матрицы, в то время как традиционный метод изготовления бумаги прост и недорог.

Один из наиболее распространенных металлов, медь, привлек широкое внимание как в академических кругах, так и в промышленности. Медь обладает превосходной теплопроводностью около 400 Вт•м ^-1 • K ^-1 (Nath and Chopra 1974; Ye and Tang 2002; Miyake et al. 2008). Однако сложность формования и низкая прочность пленки медного порошка, как правило, ограничивают ее применение. Сочетание превосходных свойств медного порошка и растительного волокна может стать хорошим способом расширить область применения целлюлозы. В нашем предварительном эксперименте, если размер частиц медного порошка недостаточно мал, медная бумага имеет низкую физическую прочность и ее даже трудно формовать из-за плохого сочетания частиц меди и волокна. Следовательно, размер частиц медного порошка должен быть достаточно мал для улучшения формования и диспергирования медной бумаги, что существенно влияет на теплопроводность (Агари 9).0027 и др. 1991).

В этой работе в целлюлозную пульпу добавляли ультрадисперсные порошки меди в качестве проводящих наполнителей, а в смесь добавляли гуаровую камедь в качестве удерживающей добавки. Медная бумага изготавливалась традиционным методом изготовления бумаги. Структурные характеристики медной бумаги исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Были исследованы механические свойства и теплопроводность медной бумаги. Это исследование дало возможность улучшить теплопроводность бумаги при традиционном способе изготовления бумаги.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ

Материалы

Хвойная беленая целлюлоза поставлена ​​компанией China Tobacco Mauduit (Гуандун, Китай) с содержанием целлюлозы 91,61% и гемицеллюлозы 7,70%. Гуаровая камедь GP-Z201) с вязкостью от 2000 мПа•с до 5000 мПа•с в 1 мас.% водном растворе была приобретена у Shandong GP Natural Products Company Ltd (Шаньдун, Китай).

Медные порошки (Cu-P5) со средним диаметром частиц 13,4 мкм, содержанием кислорода 0,2% и плотностью утряски от 5,7 г/см ³ до 5,8 г/см ³ были приобретены у Dongguan Hyper Tech Company Ltd (Дунгуань, Китай).

Методы

Изготовление медной бумаги

Как показано на рис. 1, медную бумагу изготавливали с использованием автоматической формовочной системы Econo-Space модели 1600 (Réalisations Australes Inc., Квебек, Канада) в соответствии с TAPPI T205 om-88 (1988).

Рис. 1. Заготовка из медной бумаги

Сухой компонент целлюлозы из мягкой древесины составлял 1 г, дозировка гуаровой камеди составляла 6 мл при массовой процентной концентрации 1%. Переменное количество медного порошка составляло 30 г, 40 г, 50 г и 60 г. Листы сушили при 102°C с использованием барабанной сушилки Formax 12 (Thwing-Albert Instrument Company, Западный Берлин, Нью-Джерси, США). Каландрирование производилось на валковом каландре при давлении 10 МПа и 15 МПа. Высушенную в печи медную бумагу взвешивали для определения весового соотношения целлюлозы и медного порошка.

Характеристика

СЭМ-исследований образцов медной бумаги проводили с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ; S-3700N, Hitachi, Ltd. , Токио, Япония). Поверхность бумажных образцов перед наблюдениями покрывали золотом.

Теплопроводность медной бумаги была рассчитана по уравнению. 1,

C _t  = α×ρ×C (1)

где C _t  теплопроводность (Вт•м ^-1 •K ^-1 ), α  температуропроводность (м ² • с ^-1 ), ρ  плотность (кг•м ^-3 ), а 9002 удельная теплоемкость (Дж•кг ^-1 •К ^-1 ).

Температуропроводность медной бумаги (диаметр 12,7 мм) измеряли при 30 °C с помощью анализатора LFA 457 (Netzsch, Selb, Бавария, Германия). Каждое значение ρ медной бумаги определялось по весу и размеру образцов. Кроме того, C измеряли при 30 °C с помощью DSC 200 F3 (Netzsch).

Значения индекса прочности при растяжении бумажных листов были измерены с помощью тестера прочности при растяжении L&W CE062 (Kista, Швеция).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Теплопроводность медной бумаги

В таблице 1 показаны теплопроводность, температуропроводность, плотность и удельная теплоемкость медной бумаги с различным весовым соотношением целлюлозы/меди. Как показано на рис. 2, теплопроводность бумаги из чистого растительного волокна составляет 0,234 Вт•м 9 .0121 -1 • К ^-1 , а добавление медного порошка улучшило теплопроводность бумаги. С увеличением количества медного порошка теплопроводность медной бумаги увеличилась до максимального значения 0,5608 Вт•м ^-1 •К ^-1  в весовом соотношении целлюлоза/медь 1:12.

Таблица 1. Теплопроводность, температуропроводность, плотность и удельная теплоемкость медной бумаги с различным соотношением массы целлюлозы/меди

Схематическая иллюстрация медной бумаги показана на рис. 3. Когда весовое соотношение целлюлозы/меди было ниже 1:12, теплопроводность увеличивалась медленно. Когда дозировка медного порошка была низкой, частицы меди распределялись по волокну редко, поэтому они не находились в достаточно тесном контакте для образования теплопроводной цепи. Когда дозировка медных порошков достигала определенного значения, как показано на рис. 3(б), контакт становился прочным, а затем образовывалась теплопроводная цепочка, которая заметно увеличивала теплопроводность медной бумаги.

Однако, когда дозировка меди была слишком высокой (рис. 3(d)), частицы меди складывались, что было эквивалентно добавлению пути термодиффузии, замедляя диффузию тепла, что в конечном итоге приводило к снижение теплопроводности. Это согласуется с наблюдением SEM.

Рис. 2. Влияние массового соотношения целлюлоза/медь на теплопроводность

Рис. 3. Схематическое изображение медной бумаги с массовым соотношением целлюлозы/меди (а) 1:6; (б) 1:9; (в) 1:12; и (г) 1:15 соответственно

Показатель растяжения медной бумаги

Кривая индекса растяжения медной бумаги с пятью различными весовыми соотношениями целлюлозы/меди представлена ​​на рис. 4. Индекс растяжения бумаги без меди составил 46,3 Н•м ^-1 • г ^-1 . Кривая индекса растяжения медной бумаги показала тенденцию к снижению с увеличением процентного содержания меди в качестве. Показатель растяжения медной бумаги, весовое соотношение целлюлозы/меди которой составляет 1:6, представляет собой снижение на 88% по сравнению с бумагой без меди. Это явление могло быть результатом снижения энергии связи между медью и растительным волокном из-за разрушающего действия частиц меди.

Рис. 4. Влияние весового соотношения целлюлоза/медь на показатель растяжения медной бумаги

Рис. 5. СЭМ-изображение (а) ультрадисперсного медного порошка; (b) целлюлоза из хвойной древесины; и медную бумагу с массовым соотношением целлюлозы/меди (в)1:6; (г) 1:9; (д) 1:12; (е) 1:15, соответственно

Морфологическое исследование медной бумаги

Морфология ультрадисперсного медного порошка, хвойной целлюлозы и медной бумаги с различным весовым соотношением целлюлозы/меди в соотношении 1:6, 1:9, 1:12 и 1:15 наблюдали с помощью СЭМ (рис. 5). СЭМ-изображение показало, что медная бумага состоит из частиц медного порошка диаметром примерно от 2 мкм до 20 мкм, которые, как правило, случайным образом распределяются по поверхности бумаги. Как показано на рис. 5(с), когда дозировка меди была низкой, частицы меди в волокнистой матрице в основном присутствовали в изолированной форме, оказывая меньшее влияние друг на друга. С увеличением процентного содержания меди частицы медного порошка имели тенденцию контактировать друг с другом и образовывать термическую цепь, а локальная термическая цепь соединялась и проникала, образуя тепловую сеть по всему целлюлозному матричному материалу, что приводило к более высоким термическим характеристикам. теплопроводности, что подтверждается приведенным выше правилом изменения теплопроводности.

Влияние каландрирования

Основываясь на типичном методе обработки медной бумаги, медную бумагу можно дополнительно обрабатывать с помощью каландра с разным давлением. В табл. 2 приведены теплопроводность, температуропроводность, плотность и удельная теплоемкость медной бумаги при различном давлении каландрирования. Из рис. 6 видно, что теплопроводность медной бумаги без каландрирования составила 0,3669 Вт•м ^-1 •К ^-1 . С увеличением давления каландрирования теплопроводность медной бумаги увеличилась до 0,5608 Вт•м ^-1 •К ^-1 при давлении 15 МПа. Кроме того, из-за увеличения давления каландрирования толщина медной бумаги уменьшилась, а структура сети волокон стала более компактной, что помогло частицам меди сблизиться и сформировать лучшую теплопроводную цепь.

Таблица 2. Теплопроводность, температуропроводность, плотность и удельная теплоемкость медной бумаги при различном давлении каландрирования

Рис. 6.  Влияние давления каландрирования на теплопроводность медной бумаги с весовым соотношением целлюлоза/медь 1:12

ВЫВОДЫ

1. Медная бумага была изготовлена ​​традиционным способом изготовления бумаги. Цель состояла в том, чтобы оценить пригодность таких материалов для применения в области теплопроводности. Добавление медного порошка может эффективно улучшить теплопроводность бумаги. С увеличением количества медного порошка теплопроводность медной бумаги повышалась, а затем достигала своего максимума до 0,5608 при весовом соотношении целлюлозы/меди 1:12, что на 143% больше по сравнению с бумагой без меди. пудра.
2. Частицы меди были случайным образом распределены по поверхности волокна в соответствии с наблюдениями СЭМ, которые показали благоприятное сочетание медного порошка и волокна. Однако кривая индекса растяжения медной бумаги показала тенденцию к снижению с увеличением процентного содержания меди в качестве. Показатель растяжения медной бумаги с весовым соотношением целлюлоза/медь составил 1:6, что на 88% меньше по сравнению с бумагой без меди.
3. Каландрирование улучшило теплопроводность медной бумаги. При увеличении давления от 0 МПа до 15 МПа теплопроводность увеличилась с 0,367 Вт•м ^-1 •К ^-1  до 0,561 ш•м ^-1 •К ^-1 .

БЛАГОДАРНОСТЬ

Авторы выражают благодарность за поддержку Фонду естественных наук провинции Гуандун (грант № 2015A030313221) и фондам фундаментальных исследований центральных университетов (грант № 2017ZD089).

ССЫЛКИ

Агари, Ю., Уэда, А., и Нагаи, С. (1991). «Теплопроводность композитов в некоторых типах дисперсионных систем», J. Appl. Полим. науч.  42(6), 1665–1669. DOI: 10.1002/прил.1991.070420621

Амон, С. Х., Мурти, Дж., Яо, С. К., Наруманчи, С., Ву, С.-Ф., и Се, С.-С. (2001). «Управление температурным режимом устройств с высоким тепловым потоком с помощью MEMS EDIFICE: встроенное капельное столкновение для интегрированного охлаждения электроники», Exp. Терм. Науки о жидкости.  25(5), 231-242. DOI: 10.1016/S0894-1777(01)00071-1

Хуэй, X., Ан-Ци, Л., Цзянь, К., Вэнь, Дж., и Лю, Ю. (2005). «Исследования растительных волокон в качестве армирующих материалов для композитов на основе цемента в Китае и за рубежом», Дж. Селлул. науч. Технол. 13(4), 60-64. DOI:10.3969/j.issn.1004-8405.2005.04.011

Киш, Л.Б. (2002). «Конец закона Мура: тепловая (шумовая) смерть интеграции в микро- и наноэлектронике», Phys. лат. А  305(3–4), 144–149. DOI: 10.1016/S0375-9601(02)01365-8

Конг Дж., Чен Л. и Кай Ю. (2011). «Исследования в области теплопроводных полимерных композитов», Китай. Пласт. 189(1), 160-175.

Мияке С., Мияке А., Икеда К.-И., Такамацу Х. и Кита Т. (2008). «Оценка теплопроводности тонкой пленки Cu методом термоотражательной способности периодического нагрева», в: Протоколы 22 ^-го  ежегодного собрания JIEP . DOI: 10.11486/ejisso.22a.0.85.0

Нат П. и Чопра К.Л. (1974). «Теплопроводность медных пленок», Thin Solid Films 20(1), 53-62. DOI: 10.1016/0040-6090(74)

-9

Серкан Текче, Х., Кумлутас, Д., и Тавман, И.Х. (2007). «Влияние формы частиц на теплопроводность полимерных композитов, армированных медью», J. Reinf. Пласт. Композиции  26(1), 113-121. DOI: 10.1177/0731684407072522

TAPPI T205 om-88(1988). «Формирование ручных листов для физических испытаний целлюлозы», TAPPI Press, Атланта, Джорджия.

Йе, Дж., и Тан, З. (2002). «Моделирование молекулярной динамики теплопроводности тонкопленочной меди», Chin. Дж. Вычисл. физ. 19, 321-324.

Статья отправлена: 14 февраля 2018 г.; Экспертная оценка завершена: 2 апреля 2018 г.; Получена исправленная версия: 5 апреля 2018 г.; Принято: 6 апреля 2018 г.; Опубликовано: 18 апреля 2018 г.

DOI: 10.15376/biores.13.2.3986-3993

Эффекты размера частиц в повышении теплопроводности наножидкостей на основе меди | Письма об исследованиях в области нанотехнологий

• Nano Express
• Открытый доступ
• Опубликовано: 14 марта 2011 г.

• Майкл Сатерли ¹ ,
• Хусейн Шахин ² ,
• Баркан Кавлыкоглу ² ,
• Янмин Лю ² и
• …
• Оливия Грейв ¹  

Письма об исследованиях в области наноразмеров
том 6 , номер статьи: 217 (2011)
Процитировать эту статью

• 10 тыс. обращений

• Сведения о показателях

Abstract

Мы представляем анализ характеристик дисперсии и теплопроводности наножидкостей на основе меди. Наночастицы меди были получены с использованием методологии химического восстановления в присутствии стабилизирующего поверхностно-активного вещества, олеиновой кислоты или бромида цетилтриметиламмония (ЦТАБ). Наножидкости были приготовлены с использованием воды в качестве базовой жидкости с концентрацией наночастиц меди 0,55 и 1,0 об.%. Диспергирующий агент, додецилбензолсульфонат натрия (SDBS) и последующее ультразвуковое воздействие использовали для обеспечения гомогенной дисперсии нанопорошков меди в воде. Распределение размеров наночастиц меди в базовой жидкости определяли методом динамического светорассеяния. Мы обнаружили, что наножидкости с содержанием Cu 0,55 об. % демонстрируют превосходную дисперсию в присутствии SDBS. Кроме того, была разработана установка динамической теплопроводности, которая использовалась для измерения характеристик теплопроводности наножидкостей. Наножидкости с содержанием меди 0,55 об. % показали повышение теплопроводности примерно на 22 %. В случае наножидкостей, приготовленных из порошков, синтезированных в присутствии ЦТАБ, усиление составило примерно 48 % по сравнению с базовой жидкостью для наножидкостей с 1,0 об. % Cu, что выше значений усиления, найденных в литературе. Эти результаты могут быть непосредственно связаны с размером частиц/агломератов наночастиц меди в воде, определяемым по динамическому светорассеянию.

История вопроса

Хорошо известно, что теплопроводность жидкостей, таких как вода или этиленгликоль, может быть повышена за счет добавления наночастиц. Эти двухкомпонентные системы обладают эффективной теплопроводностью, включающей теплопроводность чистых материалов, состав смеси и форму дисперсных частиц, следующим образом [1]:

(1)

, в которых К , К ₁ и К ₂ – теплопроводности наножидкости, дисперсной фазы и базовой жидкости соответственно, n – эмпирический коэффициент формы, зависящий от сферичности частиц, V ₂ – объемная доля частиц. Эта модель включает влияние формы и размера частиц и была применена к системе наножидкости медь/вода с тремя различными факторами сферичности, показывая, что теплопроводность наножидкости зависит как от объемной доли частиц, так и от формы [2].

Проведено сравнение формы частиц в наножидкостях SiC воды и этиленгликоля с порошками сферической морфологии со средним размером кристаллитов 26 нм и цилиндрической морфологии со средним размером кристаллитов 600 нм вдоль направления оси волокна [3]. Был сделан вывод, что поскольку теплообмен происходит между поверхностью частиц и жидкостью, теплообмен более эффективен для системы с большей площадью поверхности раздела. Следовательно, более мелкие кристаллиты будут демонстрировать наибольшее увеличение теплопроводности. Однако этот вывод не учитывает эффекта агломерации порошков в жидкости. Если порошки сильно агломерированы, то теплопередача, возможно, затруднена, поскольку перенос будет происходить только на поверхности агломератов, даже если размеры кристаллитов порошка находятся в нанометровом диапазоне.

В наножидкостях Al ₂ O ₃ /вода наблюдалось повышение теплопроводности на 12 % при добавлении порошков Al ₂ O ₃ со средним размером кристаллитов 28 нм при объемная доля частиц 3% [4]. Другие исследования этой же системы с порошками Al ₂ O ₃ со средним размером кристаллитов 13 и 38 нм показали увеличение теплопроводности на 20% и 8% [5, 6]. Эффект можно объяснить длиной свободного пробега фононов в наножидкости [7], так что в наножидкости, содержащей наночастицы с размером кристаллитов, значительно отличающимся от длины свободного пробега фононов, теплопроводность будет увеличиваться с уменьшением размера кристаллитов, в то время как в наножидкость, содержащая наночастицы, длина которых меньше или равна длине свободного пробега, теплопроводность будет уменьшаться с уменьшением размера кристаллитов из-за рассеяния фононов. Ни в одном из этих исследований не сообщалось об уровне агломерации (т.е. размере частиц/агломератов) в наножидкости. Поскольку порошки склонны к сильной агломерации в полярных жидкостях, сравнение, связанное с агломерацией частиц, а не только с размером кристаллитов, невозможно провести без надлежащего анализа распределения размера частиц/агломератов [8–14].

В таблице 1 обобщены результаты по размерам кристаллитов и частиц, если таковые имеются, для нескольких наножидкостей на основе меди. Из исследований, включавших анализ распределения частиц по размерам, только Sinha et al. [8] и Wang et al. [15] дал полное описание инструментальных параметров для анализа гранулометрического состава флюидов. Наножидкости Cu/и Fe/этиленгликоль от Sinha et al. [8] имел размер частиц 400-600 нм. В расследовании Ван и др. [15], средний размер частиц для жидкостей, приготовленных без додецилбензолсульфоната натрия (ДДБС) в качестве диспергатора, превышал 1 мкм, в то время как для жидкостей с ДДБС средний размер частиц составлял около 200 нм.

Таблица 1 Результаты кристаллита и размера частиц в наножидкостях на основе меди

Полноразмерная таблица

наножидкости. Наночастицы меди были получены путем восстановления хлорида меди (II) боргидридом натрия в присутствии поверхностно-активного вещества [например, олеиновой кислоты или бромида цетилтриметиламмония (ЦТАБ)]. После приготовления порошков с использованием различных концентраций ПАВ были выбраны оптимальные образцы по критериям фазы и размера частиц. Небольшие размеры агломератов для наножидкостей с содержанием меди 0,55 и 1,0 об. % показали повышение теплопроводности до 48 % по сравнению с базовой жидкостью со средней теплопроводностью 0,89.Вт/м·К, выше, чем значения усиления, полученные в других исследованиях, что будет обсуждаться позже. Мы пришли к выводу, что минимизация размера агломератов в наножидкостях важна для того, чтобы в полной мере использовать преимущества присутствия нанопорошков в базовой жидкости.

Основной экспериментальный результат и вклад этой работы в область наножидкостей заключается в том, что чрезмерная агрегация дисперсной фазы снижает эффективность полученной наножидкости из-за оседания частиц и нарушения потока наножидкости во время испытаний на теплопроводность. Хотя это было широко выдвинуто гипотезой, наша работа показывает определенные экспериментальные результаты, подтверждающие это. При тестировании теплопроводности наножидкостей увеличение содержания частиц для порошков олеиновой кислоты с 0,55 до 1,0 об.% приводит к быстрому осаждению из-за повышенной агломерации, что тщательно определяется измерениями динамического светорассеяния.

Экспериментальная методика

Наночастицы меди были синтезированы с использованием метода химического осаждения с использованием специальной системы настольного реактора. Два отдельных водных раствора, содержащих предшественники, были приготовлены и затем смешаны внутри реактора. Массу 16,10 г хлорида меди (II) (99+%, Alfa Aesar, Ward Hill, MA, USA) добавляли к 80 мл деионизированной воды при постоянном перемешивании. После 30-минутного перемешивания добавляли поверхностно-активное вещество и давали возможность смешаться с водным раствором соли металла. Были протестированы два разных поверхностно-активных вещества. Олеиновая кислота (MP Biomedical LLC, Солон, Огайо, США) и ЦТАБ (класс высокой чистоты, AMRESCO Inc., Солон, Огайо, США) демонстрируют очень разные характеристики укупорки и были выбраны из-за их успешной стабилизации наночастиц металлов в различных средах. исследования [18, 22–31]. Различные количества двух поверхностно-активных веществ добавляли к водному раствору соли меди, чтобы наблюдать влияние концентрации поверхностно-активного вещества на размер частиц и защиту от окисления в конечных наножидкостях. Для оптимизированных наножидкостей, испытанных на теплопроводность, количество олеиновой кислоты составляло 1,67 г, а ЦТАБ — 0,57 г. Отдельно 11,86 г боргидрида натрия (98%, Alfa Aesar, Уорд-Хилл, Массачусетс, США) растворяли в 220 мл деионизированной воды. Для предотвращения гидролиза раствора восстановителя pH раствора боргидрида поддерживали на уровне 11-12 путем добавления 2 М гидроксида натрия (98%, Alfa Aesar, Ward Hill, MA, USA). Затем раствор восстановителя добавляли в реактор при интенсивном перемешивании с продувкой азотом в течение 5-10 мин. Затем добавляли водный раствор соли при постоянном перемешивании. Наблюдалась бурная реакция с температурой выше 75°C, когда ионы меди восстанавливались до металла по следующей реакции:

Из-за быстрого выделения водорода во время реакции и присутствия барботирующего газообразного азота при восстановлении раствора соли меди/поверхностно-активного вещества образовалось значительное количество пены. Для противодействия пенообразованию при необходимости на протяжении всего процесса добавляли октиловый альдегид (98%, Sigma Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США), известный пеногаситель.

После завершения реакции жидкость удаляли из реактора, сливали в центрифужные пробирки объемом 50 мл и центрифугировали с помощью Eppendorf Centrifuge 5810 (Eppendorf, Гамбург, Германия, 22339).) в течение 10 мин при 11000 об/мин. Прозрачную надосадочную жидкость удаляли, а в центрифужные пробирки добавляли раствор метанола полупроводниковой чистоты 50/50 (99,9%, Alfa Aesar, Ward Hill, MA 01835, США) и деионизированной воды для удаления хлорида натрия и ПАВ с поверхностей частиц. Эти пробирки энергично встряхивали в течение 5 мин. Порошки подвергали второй промывке метанолом/водой и последней промывке метанолом при декантации надосадочной жидкости после каждого центрифугирования. Затем медные порошки помещали в вакуумный эксикатор на 2-3 дня. После высыхания порошки растирали вручную с помощью ступки и пестика.

В более поздних экспериментах размеры партий были увеличены. Для этого требовался один раствор, содержащий 67,08 г CuCl ₂ в 200 мл деионизированной воды, и отдельный раствор 148,86 г боргидрида натрия в 300 мл деионизированной воды. Те же самые молярные соотношения для поверхностно-активных веществ использовали для производства партий большего размера, в результате чего было получено 6,94 г олеиновой кислоты и 1,29 г ЦТАБ.

Были приготовлены две разные наножидкости с концентрацией меди 0,55 и 1,0 об.% в воде. Для приготовления 0,55 об.% медной наножидкости с 15 мас.% диспергатора 2,61 г SDBS (Sigma Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США) добавляли к6 мл деионизированной воды и перемешивали на медленной скорости, чтобы высокое усилие сдвига не приводило к образованию пузырьков на поверхности. Затем к раствору диспергатора при медленном перемешивании медленно добавляли массу 14,78 г порошка меди и давали перемешиваться в течение 1 часа. Наножидкость меди с концентрацией 1,0 об. % содержала 4,74 г SDBS и 26,88 г порошка меди в 292 мл деионизированной воды. Жидкость была перенесена в реакционный сосуд с рубашкой, а затем обработана ультразвуком с использованием ультразвукового процессора (Ace Glass, Vineland, NJ, USA) в течение 50 минут с амплитудой 70%, с импульсным включением в течение 3 секунд, затем выключенным в течение 3 секунд.

Измерения размера частиц проводили на системе динамического светорассеяния Microtrac Nanotrac Ultra (Microtrac Inc., Монтгомеривилль, Пенсильвания, США). Прибор Microtrac Nanotrac Ultra измеряет распределение частиц по размерам в растворе с возможностью измерения от 0,8 нм до 6,5 мкм. Для каждого образца было проведено несколько измерений с использованием соответствующих параметров, определяемых предполагаемым диапазоном размеров частиц и вязкостью жидкости. При этих параметрах измерения проводились при времени выполнения 30 с. Для каждого образца было проведено не менее пяти измерений, а затем усреднено для проведения точного анализа распределения частиц по размерам для каждого образца в соответствии с рекомендациями производителя прибора и в соответствии со стандартом ASTM E249.0-09.

Имеющаяся в продаже система жидкостного охлаждения компьютера [32] была оснащена приборами для оценки тепловых характеристик наножидкости, как показано на рис. 1(а). Этот блок охлаждения состоит из насоса, радиатора, вентилятора, резервуара для наполнения и охлаждающей пластины. Валидация и калибровка прибора были завершены тестированием теплопроводности деионизированной воды и сравнением выходных данных с ожидаемыми данными теплопроводности. Чтобы исключить оседание наночастиц в резервуаре, к экспериментальной установке был добавлен смеситель, показанный на рис. 1(б). На нашей динамической экспериментальной установке непрерывно тестировалось до 200 000 циклов. Экспериментальные результаты показывают, что изменение теплопроводности наножидкости за все время испытания (т.е. 200 000 циклов) составляет менее 1%, таким образом, наша система обладает высокой точностью.

Рисунок 1

Экспериментальная установка для определения теплопроводности наножидкостей .

Изображение полного размера

Результаты и обсуждение

Распределение частиц по размерам для наножидкостей с содержанием меди 0,55 и 1 об.% показано на рис. 2. Образование таких малых агломератов, ~120 и ~80 нм в среднем для олеиновой кислоты — и порошки, приготовленные на основе ЦТАБ, соответственно, при содержании частиц 0,55 об.% идеально подходят для производства эффективных наножидкостей, которые могут проявлять превосходную стабильность дисперсии. Меньшие агломераты будут оставаться диспергированными в жидкости в течение гораздо более длительного периода времени по сравнению с более крупными агломератами микронного размера. При увеличении загрузки наночастиц до 1,0 об.% наножидкости порошков, приготовленных на основе олеиновой кислоты, сильно агломерируются, увеличивая размер частиц от 120 до 800 нм. Это увеличение размера вызывает оседание агломератов в наножидкости, что приводит к засорению при измерении теплопроводности. Причины агломерации порошков, приготовленных на основе олеиновой кислоты, в воде будут обсуждаться в отдельном сообщении и обычно связаны с характеристиками поверхности нанопорошков. С другой стороны, наножидкости порошков, приготовленных с помощью CTAB, лишь немного более агломерированы при большей загрузке частиц со средним размером частиц 107 нм. Следует отметить, что размеры кристаллитов порошков в данном исследовании аналогичны исследованиям, представленным в табл. 1, и составляют от 10 до 50 нм. Таким образом, полученные нами результирующие различия в теплопроводности обусловлены различиями в размерах частиц/агломератов порошков в наножидкости, а не различиями в размере кристаллитов, который в любом случае является приблизительным средним размером первичных частиц и наверняка имеет дистрибутив. Полный анализ и обсуждение размера кристаллитов в наших порошках будет представлено в отдельном отчете.

Рисунок 2

Гранулометрический состав . Измерения распределения частиц по размерам для наножидкостей, изготовленных с использованием медных порошков, приготовленных из олеиновой кислоты и ЦТАБ, диспергированных в воде и 15 мас.% SDBS.

Изображение полного размера

Существует несколько общепринятых методик измерения теплопроводности наножидкости. В этом исследовании экспериментальная установка с проточной кюветой (рис. 1) использовалась для оценки динамической теплопроводности наножидкостей. Эта экспериментальная установка обеспечивает непрерывный поток наножидкости между изолированным нагревательным элементом и охлаждающим вентилятором. Два термоэлектрических модуля крепились к обеим стенкам нагревательного канала и подключались к источнику питания. Источник питания создавал электрический ток, который повышал температуру стенок в нагревательном канале. Насос постоянного тока обеспечивал циркуляцию наножидкости в замкнутом контуре в условиях ламинарного потока, Re < 2300. Когда наножидкость проходила через нагревательный канал, она поглощала часть тепла, увеличивая температуру наножидкости, а затем охлаждалась обратно до комнатной температуры с помощью охлаждающего вентилятора. Температура наножидкости и стенок контролировалась четырьмя термопарами, расположенными на стенках, а также на входном и выходном каналах нагревательного канала. Сравнивая стационарную температуру стенки канала, оценивали эффективность наножидкости.

Поверхность трубы аппарата гидравлически гладкая, поэтому теплопроводность жидкости, протекающей ближе всего к стенке, можно выразить как:

(2)

где, ч — коэффициент теплопередачи, D _H — гидравлический диаметр, а Nu — число Нуссельта. Гидравлический диаметр чаще всего используется в системах с потоком в некруглых трубах или каналах и пропорционален площади поперечного сечения трубы, деленной на периметр поперечного сечения. Коэффициент теплопередачи, который используется для расчета теплопередачи, выражается как:

(3)

где Δ Q — подводимая теплота, A — площадь поверхности теплопередачи, а Δ T — разность температур между твердой поверхностью и окружающей жидкостью. Число Нуссельта (Nu) представляет собой отношение конвективной теплопередачи к кондуктивной через стенку внутри канала и прямо пропорционально коэффициенту конвективной теплопередачи и гидравлическому диаметру трубы, а косвенно пропорционально теплопроводности жидкости. Калибровка экспериментальной установки была подтверждена тестированием системы с чистой деионизированной водой с числом Nu 5,9.для расчетов. Число Нуссельта, равное 5,9, дает разумную оценку х для чистой воды, но может быть не такой точной для наножидкостей [33]. Таким образом, в определении теплопроводности наножидкости, вероятно, имеется некоторая ошибка. Значения теплопроводности деионизированной воды для трех независимых измерений составили 0,61, 0,58 и 0,63 Вт/м·К с ошибками 1,67%, -3,33% и 5,00% соответственно. В случае теплопроводности наножидкости экспериментальные ошибки, вероятно, немного превышают 5%, хотя точная величина этих ошибок неизвестна.

Данные измерений теплопроводности наножидкостей, состоящих из 0,55 и 1,0 об.% порошков меди, приготовленных из олеиновой кислоты и ЦТАБ, показаны на рис. 3. Теплопроводность базовой жидкости (т.е. деионизированной воды) была измерена для сравнению с наножидкостями и отмечена на рисунке. Для наножидкостей с содержанием меди 0,55% по объему теплопроводность увеличилась со значения 0,60 Вт/м·К для чистой воды до 0,73 и 0,72 Вт/м·К для порошков, приготовленных на основе олеиновой кислоты и ЦТАБ, соответственно. усиление примерно на 22% по сравнению с водой. Наножидкость с концентрацией 1,0 об. % с медными порошками, приготовленными ЦТАБ, показала теплопроводность 0,89.Вт/м·К, что соответствует увеличению теплопроводности на 48% по сравнению с водой. Наножидкость с концентрацией 1,0 об. % с медными порошками, приготовленными на основе олеиновой кислоты, слишком быстро оседала во время измерения, поэтому теплопроводность не была получена.

Рисунок 3

Данные динамической теплопроводности . Для деионизированной воды и наножидкостей с концентрацией 0,55 об.% и 1,0 об.%, приготовленных из медных порошков, приготовленных из олеиновой кислоты и ЦТАБ.

Изображение полного размера

На рис. 4 показано сравнение повышения теплопроводности наножидкостей, полученных в этом исследовании, и в трех других исследованиях [17, 18, 34]. Это усиление можно объяснить с помощью различных моделей, включающих микроконвекцию наночастиц вследствие броуновского движения [35–38], разницу в теплопроводности между дисперсной фазой и базовой жидкостью [35], расслоение жидкости [39]., 40], баллистический перенос [38, 41] и кластеризация наночастиц [17, 42]. В сложной системе, такой как наножидкость, вероятно, теплопроводность не может быть объяснена только одним механизмом. Поскольку жидкие слои молекул воды довольно тонкие и поэтому применимы только к частицам <10 нм, эта модель не может объяснить увеличение теплопроводности, наблюдаемое в этом исследовании [43]. Похоже, что наиболее вероятной причиной усиления, наблюдаемого в этом исследовании, является сочетание случайных движений частиц внутри жидкости, баллистического переноса фононов через частицы и формирование кластеров наночастиц. Микроконвекция, создаваемая случайными движениями наночастиц в жидкости, возможно, не может объяснить большое усиление, но играет небольшую роль [36]. Броуновское движение частиц в жидкости создает возможности взаимодействия между диспергированными частицами и может увеличить перенос фононов через жидкость [37]. Поскольку медь имеет гораздо более высокую объемную теплопроводность по сравнению с водой, фононы могут более эффективно проходить сквозь частицы. Кластеры наночастиц или перколяционные кластеры могут образовываться для создания путей с более низким тепловым сопротивлением для распространения фононов в жидкости. Кроме того, из-за непосредственной близости наночастиц, будь то из-за броуновского движения, или образования перколяционных структур, или комбинации того и другого, баллистический перенос фононов через небольшие промежутки между частицами может объяснить значительное увеличение теплопроводность [38, 41]. Мы предполагаем, что сочетание формирования кластеров наночастиц в результате броуновского движения частиц и баллистического переноса фононов через эти кластеры и через небольшие промежутки между частицами является основной причиной увеличения теплопроводности, наблюдаемого в этом исследовании.

Рисунок 4

Сравнение повышения теплопроводности для наножидкостей на основе меди .

Изображение в полный размер

Что еще более важно, мы наблюдаем, что наша наножидкость из 1,0 об.% медных порошков, приготовленных с помощью CTAB, демонстрирует сравнимое или даже большее улучшение, чем некоторые наножидкости с гораздо большей загрузкой частиц. Например, наножидкости на водной основе, приготовленные Сюаном и Ли [18], имеют загрузку частиц более 30 мас.%, но демонстрируют почти такое же (фактически, чуть более низкое) повышение теплопроводности, что и наши собственные наножидкости, которые имеют скромную долю частиц. загрузки 1 об. % (8,3 мас.%). Мы приписываем это непосредственно нашему меньшему размеру частиц/агломератов и, возможно, нашей более низкой вязкости, которая играет важную роль в приложениях динамической теплопередачи. Эффективная наножидкость предполагает максимальное повышение теплопроводности с наименьшим количеством частиц и, следовательно, с низкой вязкостью. Таким образом, мы предполагаем, что определение размера частиц/агломератов в наножидкостях является важной переменной, которую необходимо определить для получения полной картины характеристик и поведения наножидкостей. Подходящим методом для этих измерений является динамическое рассеяние света.

Выводы

Нанопорошки меди были успешно синтезированы с использованием метода химического осаждения в присутствии двух поверхностно-активных веществ, олеиновой кислоты и ЦТАБ. В этом исследовании изучалась важность анализа распределения частиц по размерам в отчетах о результатах наножидкостей. Размеры частиц порошков, полученных в этом исследовании, были успешно уменьшены примерно с 1 мкм до 120 и 80 нм для порошков, приготовленных на основе олеиновой кислоты и ЦТАБ, соответственно, при добавлении диспергатора в воду. Для получения наножидкостей на основе меди использовали две загрузки частиц: 0,55 и 1,0 об.%. Была разработана установка для испытания динамической теплопроводности, и измерения теплопроводности были выполнены для обеих наножидкостей. Повышение теплопроводности на 22% по сравнению с водой наблюдалось для наножидкостей с 0,55 об.% Cu. Когда загрузку частиц увеличили до 1,0 об. %, наножидкости порошков Cu, приготовленных из олеиновой кислоты, осели и забили тестовую установку. Наножидкости порошков меди, приготовленных с помощью ЦТАБ, оставались хорошо диспергированными, что позволяло успешно проводить измерения теплопроводности. Максимальное увеличение на 48% наблюдалось для наножидкости меди с содержанием меди 1,0 об.% из порошков меди, приготовленных с помощью ЦТАБ. Повышение теплопроводности в этих последних жидкостях напрямую связано с превосходной дисперсией наночастиц в жидкости.

Ссылки

1. Гамильтон Р. Л., Кроссер О.К.: Теплопроводность гетерогенных двухкомпонентных систем. Ind Eng Chem Fundam 1962, 1: 187–91. 10.1021/i160003a005

   Артикул

   Google ученый

2. Choi SUS: Повышение теплопроводности жидкостей с помощью наночастиц. Американское общество инженеров-механиков, Отдел гидротехники (публикация) FED 1995, 231: 99–105.

   Google ученый

3. Xie H, Wang J, Xi T, Liu Y: Теплопроводность суспензий, содержащих наноразмерные частицы SiC. Int J Thermophys 2002, 23: 571–80. 10.1023/A:1015121805842

   Артикул

   Google ученый

4. Wang X, Xu X, Choi SUS: Теплопроводность смеси наночастиц и жидкости. J Thermophys Heat Transfer 1999, 13: 474–80. 10,2514/2,6486

   Артикул

   Google ученый

5. «>

   Masuda H, Ebata A, Teramae K, Hishinuma H: Изменение теплопроводности и вязкости жидкости путем диспергирования сверхмелких частиц (дисперсия γ-Al ₂ O ₃ , SiO ₂

   , и TiO ₂ ультрамелкие частицы Netsu Bussei 1993, 7: 227–33

   Статья

   Google ученый

6. Lee S, Choi SUS, Li S, Eastman JA: Измерение теплопроводности жидкостей, содержащих оксидные наночастицы. J Heat Transfer 1999, 121: 280–90. 10.1115/1.2825978

   Артикул

   Google ученый

7. Xie H, Wang J, Xi T, Liu Y, Ai F, Wu Q: Повышение теплопроводности суспензий, содержащих наноразмерные частицы оксида алюминия. J Appl Phys 2002, 91: 4568–72. 10.1063/1.1454184

   Артикул

   Google ученый

8. Синха К., Кавликоглу Б. , Лю Ю., Горданинеджад Ф., Грейв О.А.: Сравнительное исследование теплового поведения наножидкостей железа и меди. J Appl Phys 2009, 106: 064307. 10.1063/1.3225574

   Статья

   Google ученый

9. Грейв О.А., Канакала Р., Мадади А., Уильямс Б.К., Гласс К.С.: Изменения люминесценции в гидроксиапатитах, легированных Eu ²⁺ и Eu ³⁺ . Биоматериалы 2010, 31: 4259–67. 10.1016/ж.биоматериалы.2010.02.009

   Артикул

   Google ученый

10. Келли Дж. П., Канакала Р., Грейв О. А.: Сольвотермический подход к получению наноструктурированной карбидной и боридной керамики для сверхвысоких температур. J Am Ceram Soc 2010, 93: 3035–8. 10.1111/j.1551-2916.2010.04007.x

    Артикул

    Google ученый

11. Грейв О.А., Мадади А., Канакала Р. , Синха К.: Анализ размера частиц и кристаллитов при синтезе вольфрамового нанопорошка. Metall Mater Trans A 2010, 41: 2691–7. 10.1007/s11661-010-0280-9

    Артикул

    Google ученый

12. Sinha K, Pearson B, Casolco SR, Garay JE, Graeve OA: Синтез и консолидация BaAl ₂ Si ₂ O ₈ :Eu. Разработка интегрированного процесса для люминесцентных умных керамических материалов. J Am Ceram Soc 2009, 92: 2504–11. 10.1111/j.1551-2916.2009.03242.x

    Артикул

    Google ученый

13. Graeve OA, Varma S, Rojas-George G, Brown D, Lopez EA: Синтез и определение характеристик люминесцентного оксида иттрия, легированного Tm и Yb. J Am Ceram Soc 2006, 89: 926–31. 10.1111/j.1551-2916.2006.00845.x

    Артикул

    Google ученый

14. «>

    Грейв О.А., Синха К.: Исследование динамического светорассеяния обратномицеллярных систем для синтеза наножидкостей на основе железа. Int J Mod Phys B 2007, 21: 4774–81. 10.1142/S021797⁴⁵⁶⁵⁷

    Артикул

    Google ученый

15. Wang XJ, Zhu DS, Yang S: Исследование pH и SDBS на повышение теплопроводности в наножидкостях. Chem Phys Lett 2009, 470: 107–11. 10.1016/j.cplett.2009.01.035

    Артикул

    Google ученый

16. Liu MS, Lin MCC, Tsai CY, Wang CC: Повышение теплопроводности Cu для наножидкостей с использованием метода химического восстановления. I J Тепломассоперенос 2006, 49: 3028–33. 10.1016/ж.ijтепломассообмен.2006.02.012

    Статья

    Google ученый

17. Истман Дж. А., Чой С. С., Ли С., Ю. В., Томпсон Л. Дж.: Аномально повышенная эффективная теплопроводность наножидкостей на основе этиленгликоля, содержащих наночастицы меди. Appl Phys Lett 2001, 78: 718–20. 10.1063/1.1341218

    Артикул

    Google ученый

18. Xuan Y, Li Q: Повышение теплопередачи наножидкостей. Int J Heat Fluid Flow 2000, 21: 58–64. 10.1016/S0142-727X(99)00067-3

    Артикул

    Google ученый

19. Веласко А.Ф., Пералес-Перес О., Гутьеррес Г.: Синтез наночастиц меди для приготовления наножидкостей. В Нанотехнологии 2008: Материалы, изготовление, частицы и характеристики: 2008; Бостон . Под редакцией: Лаудон М., Романович Б. Конференция и выставка по нанотехнологиям NSTI; 2008: 424–7.

    Google ученый

20. Li XF, Zhu DS, Wang XJ, Wang N, Gao JW, Li H: Повышение теплопроводности зависит от рН и химического поверхностно-активного вещества для наножидкостей Cu-H ₂ O. Thermochim Acta 2008, 469: 98–103. 10.1016/j.tca.2008.01.008

    Артикул

    Google ученый

21. Yu W, Xie H, Chen L, Li Y: Исследование теплотранспортных свойств наножидкостей на основе этиленгликоля, содержащих наночастицы меди. Порошковая технология 2010, 197: 218–21. 10.1016/j.powtec.2009.09.016

    Артикул

    Google ученый

22. Джоши С.С., Патил С.Ф., Айер В., Махумуни С.: Радиационно-индуцированный синтез и определение характеристик наночастиц меди. Nanostruct Mater 1998, 10: 1135–44. 10.1016/S0965-9773(98)00153-6

    Артикул

    Google ученый

23. Ву С.Х., Чен Д.Х.: Синтез наночастиц меди высокой концентрации в водных растворах ЦТАБ. J Коллоидный интерфейс Sci 2004, 273: 165–9. 10.1016/j.jcis.2004.01.071

    Статья

    Google ученый

24. «>

    Атавале А.А., Катре П.П., Кумар М., Маджумдар М.Б.: Синтез восстановленных CTAB-IPA наночастиц меди. Mater Chem Phys 2005, 91: 507–12. 10.1016/j.matchemphys.2004.12.017

    Статья

    Google ученый

25. Chen L, Zhang D, Chen J, Zhou H, Wan H: Использование CTAB для контроля размера наночастиц меди и концентрации алкилтиолов на их поверхности. Mater Sci Eng A 2006, 415: 156–61. 10.1016/j.msea.2005.09.060

    Артикул

    Google ученый

26. Ян Дж.Г., Ян С.Х., Окамото Т., Бесшо Т., Сатакэ С., Ичино Р., Окидо М.: Синтез монослоя меди и частиц на границе раздела вода-органика. Surface Sci 2006, 600: L318–20. 10.1016/j.susc.2006.10.014

    Статья

    Google ученый

27. Li X, Zhu D, Wang X: Оценка дисперсионного поведения водных наносуспензий меди. J Коллоидный интерфейс Sci 2007, 310: 456–63. 10.1016/j.jcis.2007.02.067

    Артикул

    Google ученый

28. Ян Дж.Г., Чжоу Ю.Л., Окамото Т., Ичино Р., Окидо М.: Новый метод приготовления гидрофобных порошков наномеди. J Mater Sci 2007, 42: 7638–42. 10.1007/s10853-007-1899-9

    Артикул

    Google ученый

29. Ханна П.К., Кале Т.С., Шейх М., Рао Н.К., Сатьянараяна CVV: Синтез наночастиц меди, покрытых олеиновой кислотой, путем восстановления соли меди с помощью SFS. Mater Chem Phys 2008, 110: 21–5. 10.1016/j.matchemphys.2008.01.013

    Статья

    Google ученый

30. Каннинен П., Йоханс С., Мерта Дж., Конттури К. Влияние структуры лиганда на стабильность и окисление наночастиц меди. J Коллоидный интерфейс Sci 2008, 318: 88–95. 10. 1016/j.jcis.2007.09.069

    Статья

    Google ученый

31. Лю Л., Чен Л., Ван Х., Чен Дж., Чжоу Х.: Исследование трибологического поведения N , N -наночастицы меди, стабилизированные монослоем диоктилдитиокарбамата, в жидком парафине. J Dispersion Sci Technol 2009, 30: 144–7. 10.1080/019326

313147

Артикул

Google ученый

32. Thermaltake [http://www.thermaltakeusa.com/Product.aspx?C=1160&ID=1616#Tab0]

33. Хван К.С., Джанг С.П., Чой С.С.: Характеристики потока и конвективной теплопередачи воды. на базе Ал ₂ O ₃ наножидкости в полностью развитом ламинарном режиме течения. Int J Тепломассообмен 2009, 52: 193–199. 10.1016/ж.ijтепломассообмен.2008.06.032

    Статья

    Google ученый

34. «>

    Xuan Y, Li Q: Исследование конвективной теплопередачи и характеристик течения наножидкостей. J Heat Transfer 2003, 125: 151–5. 10.1115/1.1532008

    Артикул

    Google ученый

35. Sohn CW, Chen MM: Микроконвекционная теплопроводность в дисперсной двухфазной смеси, наблюдаемая в эксперименте с низкоскоростным течением Куэтта. J Heat Transfer 1981, 103: 47–51. 10.1115/1.3244428

    Артикул

    Google ученый

36. Гупте С.К., Адвани С.Г., Хук П. Роль микроконвекции вследствие неаффинного движения частиц в монодисперсной суспензии. Тепломассообмен Int J 1995, 38: 2945–58. 10.1016/0017-9310(95)00060-М

    Артикул

    Google ученый

37. Xuan Y, Roetzel W: Концепции корреляции теплопередачи наножидкостей. Int J Тепломассообмен 2000, 43: 3701–7. 10.1016/S0017-9310(99)00369-5

    Артикул

    Google ученый

38. Кеблински П., Филпот С.Р., Чой С.С., Истман Дж.А. Механизмы теплового потока в суспензиях наноразмерных частиц (наножидкости). Int J Heat Mass Transfer 2002, 45: 855–63. 10.1016/S0017-9310(01)00175-2

    Артикул

    Google ученый

39. Хендерсон Дж. Р., Ван Свол Ф.: На границе между жидкостью и плоской стенкой: теория и моделирование твердой сферической жидкости у твердой стенки. Mol Phys 1984, 51: 991–1010. 10.1080/00268978400100651

    Артикул

    Google ученый

40. Yu CJ, Richter AG, Datta A, Durbin MK, Dutta P: Молекулярные слои в жидкости на твердой подложке: исследование отражательной способности рентгеновских лучей. Physica B 2000, 283: 27–31. 10.1016/S0921-4526(99)01885-2

    Артикул

    Google ученый

41. «>

    Джоши А.А., Маджумдар А.: Переходный баллистический и диффузионный фононный перенос тепла в тонких пленках. J Appl Phys 1993, 74: 31–9. 10.1063/1.354111

    Артикул

    Google ученый

42. Истман Дж.А., Чой С.С., Ли С., Сойез Г., Томпсон Л.Дж., ДиМелфи Р.Дж.: Новые тепловые свойства наноструктурированных материалов. Mater Sci Forum 1999, 312–314: 629–34. 10.4028/www.scientific.net/MSF.312-314.629

    Статья

    Google ученый

43. Xie H, Fujii M, Zhang Z: Влияние межфазного нанослоя на эффективную теплопроводность смеси наночастиц и жидкости. Int J Тепломассообмен 2005, 48: 2926–32. 10.1016/ж.ijтепломассообмен.2004.10.040

    Статья

    Google ученый

Скачать ссылки

Благодарности

Этот проект финансировался Национальным научным фондом по контракту №. IIP 0823112.

Информация об авторе

Авторы и организации

1. Инженерная школа Кадзуо Инамори, Университет Альфреда, 2 Pine Street, Alfred, NY, 14802, USA

   Michael Saterlie & Olivia Graeve

2. Advanced Materials and Devices, Inc, 4750 Longley Lane #104, Reno, NV, 89502, USA

   Huseyin Sahin, Barkan Kavlicoglu & Yanming Liu

Authors

1. Michael Saterlie

   Посмотреть публикации автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

2. Huseyin Sahin

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Академия

3. Баркан Кавлыкоглу

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

4. Yanming Liu

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

5. Olivia Graeve

   Просмотр публикаций автора

   Вы также можете искать этого автора в
   PubMed Google Scholar

Автор, ответственный за переписку

Оливия Грейв.

Дополнительная информация

Конкурирующие интересы

Авторы заявляют об отсутствии конкурирующих интересов.

Вклад авторов

MSS осуществил синтез порошков, приготовление наножидкостей и подготовил рукопись. Компания HS завершила испытания на теплопроводность. Б.К. разработал прибор для испытания на теплопроводность и помог составить рукопись. Ю.Л. участвовал в разработке и координации проекта и помог составить рукопись. OAG задумала исследование, участвовала в его разработке и координации и завершила рукопись.

Оригинальные файлы изображений, представленные авторами

Ниже приведены ссылки на оригинальные файлы изображений, представленные авторами.

Оригинальный файл авторов для рисунка 1

Оригинальный файл авторов для рисунка 2

Оригинальный файл авторов для рисунка 3

Оригинальный файл авторов на рисунок 4

Rights и REMSISS

33333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333333н.

Открытый доступ
Эта статья распространяется на условиях международной лицензии Creative Commons Attribution 2.0 (
https://creativecommons.org/licenses/by/2.0
), который разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии надлежащего цитирования оригинальной работы.

Перепечатки и разрешения

Об этой статье

Оценка и понимание теплопроводности печатных плат

Подложка печатной платы и медные проводники являются основными факторами, определяющими, как тепло будет перемещаться по плате. Ваши компоненты будут выделять тепло во время работы, что иллюстрирует важность оценки теплопроводности печатной платы. Тепловые свойства подложки вашей печатной платы являются одним из факторов, определяющих повышение температуры ваших компонентов (особенно температуры перехода) и отвод тепла от критических компонентов.

Чтобы определить, следует ли включать в печатную плату активные и пассивные меры по управлению температурным режимом, можно использовать некоторые методы оценки теплопроводности печатной платы. Это может помочь вам оценить повышение температуры вашей платы, используя значения рассеиваемой мощности для ваших компонентов. Некоторые простые варианты компоновки и стека на вашей печатной плате могут помочь изменить разницу температур между различными областями вашей платы, что поможет обеспечить работу вашей печатной платы при приемлемой температуре.

ALTIUM DESIGNER

Унифицированный пакет для проектирования печатных плат, объединяющий передовые функции проектирования и компоновки печатных плат с обширной библиотекой материалов подложек и функциями планирования производства.

Термический анализ конструкции печатной платы жизненно важен для обеспечения желаемой производительности и долговечности вашего следующего продукта. Ваша цель при проектировании печатных плат должна состоять в том, чтобы спроектировать систему, обеспечивающую желаемую функциональность в течение максимально возможного срока службы. Понимание того, как оценить теплопроводность печатной платы и выбрать соответствующие компоненты, которые могут работать в этих условиях, обеспечит надежность вашей следующей печатной платы.

По мере того, как компоненты вашей печатной платы работают и температура перехода повышается, тепловое сопротивление вашей подложки будет определять, как тепло переносится в более холодные области платы. Если вы знаете теплопроводность вашей подложки и меди, вы можете оценить эффективную теплопроводность всей вашей печатной платы и рассчитать приблизительное тепловое сопротивление. В случае, если ваши компоненты выделяют слишком много тепла, а повышение температуры слишком велико, вы можете решить, следует ли добавить радиатор или какие-либо активные меры по охлаждению на вашей плате, чтобы снизить температуру перехода в коммутационных компонентах.

Как фундаментальное свойство любого материала, теплопроводность определяет тепловой поток между горячими и холодными областями вашей печатной платы. Теплопроводность вашего материала подложки можно найти в технических описаниях материалов. Однако, как только у вас будет представление о вашем стеке и весе меди в макете, вам нужно будет рассчитать эффективную теплопроводность вашей подложки. Формулы для расчета напрямую варьируются в зависимости от того, кого вы спрашиваете, хотя в литературе есть ряд моделей с сосредоточенными параметрами. Самый простой метод — использовать средневзвешенное значение, основанное на объеме меди и материала подложки в вашей печатной плате:

Оценка эффективной теплопроводности на основе средневзвешенного объема параметров материала вашей печатной платы

В приведенном выше уравнении показано простое средневзвешенное значение для расчета эффективной теплопроводности, где «s» указывает на подложку, а «c» — на медь. . Однако это всего лишь приблизительная оценка, и вы получите гораздо более точные результаты, если воспользуетесь специализированным мультифизическим 3D-симулятором. После того, как вы определили эффективную теплопроводность вашей печатной платы, вы готовы рассчитать тепловое сопротивление вашей платы, что даст вам некоторое представление о том, как тепло будет передаваться через ваш стек.

Что определяет тепловое сопротивление подложки вашей печатной платы?

На тепловое сопротивление влияют те же структуры, которые определяют эффективную теплопроводность вашей печатной платы. Следы, термопрокладки, переходные отверстия, плоские слои и материалы вашей сборки в совокупности будут определять эффективную теплопроводность. После того, как вы определили это, вы можете рассчитать тепловое сопротивление в направлении толщины с помощью следующего уравнения:

Уравнение теплового сопротивления

Точно так же вы можете рассчитать тепловое сопротивление вашей доски вдоль направления поверхности, используя площадь поперечного сечения доски. Наконец, вы можете рассчитать скорость теплового потока в вашей плате q, которая равна градиенту температуры, деленному на тепловое сопротивление.

Использование медных теплозащитных пластин и термопрокладок на активных компонентах также способствует отводу тепла в медную плоскость или радиатор соответственно. Как только тепло передается радиатору, его можно удалить, воспользовавшись воздушным потоком, проходящим через поверхность радиатора. В сочетании с правильной конструкцией стека и выбором материала подложки вы можете уменьшить количество и/или размер мер активного охлаждения, которые необходимо реализовать при проектировании печатной платы.

Конструкция стека для платы HDI

Термическое сопротивление — это просто термодинамический аналог электрического сопротивления. Самый простой способ снизить термическое сопротивление — использовать подложку с высокой теплопроводностью. Некоторые распространенные альтернативные материалы подложки включают керамику, которая имеет очень высокую теплопроводность по сравнению с FR4. Другим вариантом являются печатные платы с металлическим сердечником, где центральный слой сердечника платы представляет собой металл с высокой проводимостью.

Использование более толстых медных дорожек дает два преимущества; во-первых, более толстые медные дорожки могут проводить больший ток при заданной рабочей температуре. Другими словами, они будут испытывать меньшее повышение температуры из-за рассеивания тепла. Во-вторых, как только медные дорожки испытывают повышение температуры, тепло рассеивается от проводников с большей скоростью, поскольку медь обладает высокой теплопроводностью. Оба аспекта медных проводников помогают уменьшить повышение температуры на вашей плате и сделать распределение температуры более равномерным.

Материалы подложки для печатных плат: сравнение теплопроводности

Керамические материалы несут более высокие производственные затраты из-за требуемых специальных процессов, но они обеспечивают более высокую теплопроводность в 20–100 раз по сравнению с FR4. Подложки с металлическим сердечником обеспечивают столь же высокую теплопроводность. Любой из этих вариантов является отличным выбором для приложений с умеренно высокими частотами и обеспечивает низкое тепловое сопротивление. Ламинаты ПТФЭ с металлическим сердечником могут быть лучшим выбором с точки зрения баланса диэлектрических потерь и теплового управления в микроволновых и миллиметровых приложениях.

• Материалы подложки будут определять другие важные свойства вашей печатной платы помимо теплового сопротивления.

  Узнайте больше о выборе подходящего материала подложки для различных областей применения.

• Керамические материалы полезны из-за их механической прочности и высокой теплопроводности, но с ними может быть трудно работать в процессах нанесения покрытий и производства.

  Узнайте больше о работе с керамическими подложками для вашей следующей печатной платы.

Платы с алюминиевым сердечником

• — это лишь одна из многих подложек для печатных плат с металлическим сердечником, которые можно использовать для обеспечения высокой теплопроводности.

  Узнайте больше о работе с алюминиевыми подложками.

Многоугольная заливка и проектирование термопрокладки в Altium Designer

После того, как вы определите эффективную теплопроводность вашей печатной платы и рассчитаете тепловое сопротивление, у вас будет представление о методах управления теплом, которые вы должны использовать, чтобы ваша плата компоненты не перегреваются. Функции компоновки и трассировки в программном обеспечении для проектирования печатных плат являются основными инструментами, которые вы будете использовать для размещения компонентов в соответствующих местах на плате.

Если вы планируете компенсировать низкую эффективную теплопроводность в плате на стандартном FR4, вам нужно работать с пакетом проектирования, включающим длинный список стандартных стековых материалов и компонентов активного охлаждения. Вы сможете выбрать подложку с достаточно высокой теплопроводностью и приступить к созданию макета. Лучшее программное обеспечение для проектирования печатных плат будет включать в себя эти функции и многое другое в одной программе. Именно такую ​​среду вы найдете в Altium Designer, единственной полностью интегрированной программной платформе для проектирования печатных плат.

Разработайте свою стратегию управления температурным режимом в Altium Designer

Altium Designer включает в себя стандартный отраслевой менеджер наложения слоев, который позволяет настраивать электрические и тепловые свойства подложки в соответствии с материалами с высокой теплопроводностью. С библиотекой материалов в Altium Designer вы можете легко выбирать из большого количества распространенных материалов для использования в качестве сердцевины, препрега и ламината. Инструменты компоновки и трассировки дают вам возможность спроектировать плату так, чтобы ее тепловое сопротивление было ближе к желаемому значению. Эти и многие другие инструменты доступны на одной платформе, что дает вам полный набор инструментов для проектирования и анализа печатных плат.

• Определение стека, размещение компонентов и трассировка маршрутов — это простые задачи в Altium Designer. Интегрированная среда проектирования в Altium Designer объединяет важные функции проектирования поверх единого механизма проектирования, управляемого правилами. Узнайте больше об интегрированной среде проектирования в Altium Designer.
• Библиотека стеков материалов в Altium Designer позволяет полностью настроить подложку печатной платы. Вы сможете легко определить набор слоев и свойства материалов для нишевых материалов в Altium Designer. Узнайте больше о библиотеке стеков материалов в Altium Designer.

Анализатор плотности мощности

• Altium Designer помогает исследовать проблемы с целостностью питания и информирует о стратегии управления температурным режимом. Узнайте больше о расширении PDNA Altium Designer.

Сверхточные инструменты компоновки и стека Altium Designer идеально подходят для реализации стратегии управления температурным режимом, необходимой вашей плате. Вы можете легко размещать компоненты, добавлять к компонентам термопрокладку и радиатор, определять области заливки меди и выполнять множество других задач, связанных с проектированием управления температурным режимом. С расширением PDNA у вас есть мощный инструмент анализа, который помогает управлять температурным режимом. Вы можете реализовать правильную стратегию для борьбы с повышением температуры на печатной плате и отвода тепла от критических компонентов на печатной плате.

Если вы никогда не работали в интегрированной среде проектирования, будьте уверены, что Altium предоставит вам все ресурсы, необходимые для достижения успеха. У вас будет доступ к форуму AltiumLive, подкастам и вебинарам с участием отраслевых экспертов, обширной базе знаний, полной советов по проектированию, и большому количеству руководств по проектированию.