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常見金屬材料的導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱率K是材料本身的固有性能參數(shù),用于描述材料的導(dǎo)熱能力,又稱為熱導(dǎo)率,單位為W/mK。這個特性跟材料本身的大小、形狀、厚度都是沒有關(guān)系的,只是跟材料本身的成分有關(guān)系。不同成分的導(dǎo)熱率差異較大,導(dǎo)致由不同成分構(gòu)成的物料的導(dǎo)熱率差異較大。單粒物料的導(dǎo)熱性能好于堆積物料。

 

穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱:導(dǎo)入物體的熱流量等于導(dǎo)出物體的熱流量,物體內(nèi)部各點溫度不隨時間而變化的導(dǎo)熱過程。

 

非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱:導(dǎo)入和導(dǎo)出物體的熱流量不相等,物體內(nèi)任意一點的溫度和熱含量隨時間而變化的導(dǎo)熱過程,也稱為瞬態(tài)導(dǎo)熱過程。

 

導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下,1m厚的材料,兩側(cè)表面的溫差為1度(K,°C),在1秒內(nèi),通過1平方米面積傳遞的熱量,用λ表示,單位為瓦/米·度

 

導(dǎo)熱系數(shù)與材料的組成結(jié)構(gòu)、密度、含水率、溫度等因素有關(guān)。非晶體結(jié)構(gòu)、密度較低的材料,導(dǎo)熱系數(shù)較小。材料的含水率、溫度較低時,導(dǎo)熱系數(shù)較小。

 

通常把導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料稱為保溫材料(我國國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,凡平均溫度不高于350℃時導(dǎo)熱系數(shù)不大于0.12W/(m·K)的材料稱為保溫材料),而把導(dǎo)熱系數(shù)在0.05瓦/米攝氏度以下的材料稱為高效保溫材料。

 

導(dǎo)熱系數(shù)高的物質(zhì)有優(yōu)良的導(dǎo)熱性能。在熱流密度和厚度相同時,物質(zhì)高溫側(cè)壁面與低溫側(cè)壁面間的溫度差,隨導(dǎo)熱系數(shù)增大而減小。鍋爐爐管在未結(jié)水垢時,由于鋼的導(dǎo)熱系數(shù)高,鋼管的內(nèi)外壁溫差不大。而鋼管內(nèi)壁溫度又與管中水溫接近,因此,管壁溫度(內(nèi)外壁溫度平均值)不會很高。但當(dāng)爐管內(nèi)壁結(jié)水垢時,由于水垢的導(dǎo)熱系數(shù)很小,水垢內(nèi)外側(cè)溫差隨水垢厚度增大而迅速增大,從而把管壁金屬溫度迅速抬高。當(dāng)水垢厚度達(dá)到相當(dāng)大(一般為1~3毫米)后,會使?fàn)t管管壁溫度超過允許值,造成爐管過熱損壞。 對鍋爐爐墻及管道的保溫材料來講,則要求導(dǎo)熱系數(shù)越低越好。一般常把導(dǎo)熱系數(shù)小于0。8x10的3次方瓦/(米時·攝氏度)的材料稱為保溫材料。例如石棉、珍珠巖等

 

填縫導(dǎo)熱材料有:導(dǎo)熱硅脂、導(dǎo)熱云母片、導(dǎo)熱陶瓷片、導(dǎo)熱矽膠片、導(dǎo)熱雙面膠等。主要作用是填充發(fā)熱功率器件與散熱片之間的縫隙,通常看似很平的兩個面,其實接觸面積不到40%,又因為空氣是不良導(dǎo)熱體,導(dǎo)熱系數(shù)僅有0.03w/m.k,填充縫隙就是用導(dǎo)熱材料填充縫隙間的空氣.

 

傅力葉方程式:
Q=KA△T/d,
R=A△T/Q       Q: 熱量,W   K: 導(dǎo)熱率,W/mk    A:接觸面積
d: 熱量傳遞距離    △T:溫度差    R: 熱阻值

 

將上面兩個公式合并,可以得到 K=d/R。因為K值是不變的,可以看得出熱阻R值,同材料厚度d是成正比的。也就說材料越厚,熱阻越大。


但如果仔細(xì)看一些導(dǎo)熱材料的資料,會發(fā)現(xiàn)很多導(dǎo)熱材料的熱阻值R,同厚度d并不是完全成正比關(guān)系。這是因為導(dǎo)熱材料大都不是單一成分組成,相應(yīng)會有非線性變化。厚度增加,熱阻值一定會增大,但不一定是完全成正比的線性關(guān)系,可能是更陡的曲線關(guān)系。

 

實際這是不可能的條件。所以測試并計算出來的熱阻值并不完全是材料本身的熱阻值,應(yīng)該是材料本身的熱阻值+所謂接觸面熱阻值。因為接觸面的平整度、光滑或者粗糙、以及安裝緊固的壓力大小不同,就會產(chǎn)生不同的接觸面熱阻值,也會得出不同的總熱阻值。

 

所以國際上流行會認(rèn)可設(shè)定一種標(biāo)準(zhǔn)的測試方法和條件,就是在資料上經(jīng)常會看到的ASTM D5470。這個測試方法會說明進(jìn)行熱阻測試時候,選用多大的接觸面積A,多大的熱量值Q,以及施加到接觸面的壓力數(shù)值。大家都使用同樣的方法來測試不同的材料,而得出的結(jié)果,才有相比較的意義。

 

通過測試得出的熱阻R值,并不完全是真實的熱阻值。物理科學(xué)就是這樣,很多參數(shù)是無法真正的量化的,只是一個“模糊”的數(shù)學(xué)概念。通過這樣的“模糊”數(shù)據(jù),人們可以將一些數(shù)據(jù)量化,而用于實際應(yīng)用。 此處所說的“模糊” 是數(shù)學(xué)術(shù)語,“模糊”表示最為接近真實的近似。

 

而同樣道理,根據(jù)熱阻值以及厚度,再計算出來的導(dǎo)熱率K值,也并不完全是真正的導(dǎo)熱率值。

 

傅力葉方程式,是一個完全理想化的公式。我們可用來理解導(dǎo)熱材料的原理。但實際應(yīng)用、熱阻計算是復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型,會有很多的修正公式,來完善所有的環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題。

 

總之:
        a. 同樣的材料,導(dǎo)熱率是一個不變的數(shù)值,熱阻值是會隨厚度發(fā)生變化的。
        b. 同樣的材料,厚度越大,可簡單理解為熱量通過材料傳遞出去要走的路程越多,所耗的時間也越多,效能也越差。
        c. 對于導(dǎo)熱材料,選用合適的導(dǎo)熱率、厚度是對性能有很大關(guān)系的。選擇導(dǎo)熱率很高的材料,但是厚度很大,也是性能不夠好的。最理想的選擇是:導(dǎo)熱率高、厚度薄,完美的接觸壓力保證最好的界面接觸。

 d、使用什么導(dǎo)熱材料給客戶,理論上來講是很困難的一件事情。很難真正的通過一些簡單的數(shù)據(jù),來準(zhǔn)確計算出選用何種材料合適。更多的是靠測試和對比,還有經(jīng)驗。測試能達(dá)到產(chǎn)品要求的理想效果,就是最為合適的材料。

 e、不專業(yè)的用戶,會關(guān)注材料的導(dǎo)熱率;專業(yè)的用戶,會關(guān)注材料的熱阻值。 


導(dǎo)熱系數(shù)

導(dǎo)熱系數(shù)是指在穩(wěn)定傳熱條件下,1m厚的材料,兩側(cè)表面的溫差為1度(K,°C),在1小時內(nèi),通過1平方米面積傳遞的熱量,單位為瓦/米?度(W/mK,此處的K可用°C代替)。

導(dǎo)熱系數(shù)與材料的組成結(jié)構(gòu)、密度、含水率、溫度等因素有關(guān)。非晶體結(jié)構(gòu)、密度較低的材料,導(dǎo)熱系數(shù)較小。材料的含水率、溫度較低時,導(dǎo)熱系數(shù)較小。

通常把導(dǎo)熱系數(shù)較低的材料稱為保溫材料,而把導(dǎo)熱系數(shù)在0.05瓦/米度以下的材料稱為高效保溫材料。

導(dǎo)熱率(熱導(dǎo)率)是反映材料導(dǎo)熱性能的物理量,它不僅是評價材料的熱學(xué)特性的依據(jù),而且是材料在應(yīng)用時的一個設(shè)計依據(jù),在加熱器 、散熱器、傳熱管道設(shè)計、房屋設(shè)計等工程實踐中都要涉及這個參數(shù)。因為材料的熱導(dǎo)率不僅隨溫度、壓力變化,而且材料的雜質(zhì)含量。結(jié)構(gòu)變化都會明顯影響熱導(dǎo)率的數(shù)值,所以在科學(xué)實驗和工程技術(shù)中對材料的熱導(dǎo)率常用實驗的方法測定。內(nèi)容。深圳華鎳免費(fèi)提供材料樣品郵寄。

 

導(dǎo)熱系數(shù)單位換算

千卡/米·時·℃ [kcal/(m·h· ℃ )]

卡 / 厘米·秒·℃ [cal/(cm·s· ℃ )]

瓦 / 米· K[W/(m·K)]

焦耳 / 厘米·秒·℃ [J/(cm·s· ℃ )]

英熱單位 / 英尺·時·℉ [Btu/(ft·h· ℉ )]

1

2.78×10 -3

1.16

1.16×10 -2

0.672

360

1

418.7

4.187

242

0.8598

2.39×10 -3

1

10 -2

0.578

85.98

0.239

100

1

57.8

1.49

4.13×10 -3

1.73

1.73×10 -2

1


材料名稱

導(dǎo)熱

系數(shù)

W/mK

材料名稱

導(dǎo)熱

系數(shù)

W/mK

材料名稱

導(dǎo)熱

系數(shù)

W/mK

材料名稱

導(dǎo)熱

系數(shù)

W/mK

材料名稱

導(dǎo)熱

系數(shù)

W/mK

Si

150

ABS

0.25

空氣

0.01~0.04

導(dǎo)熱硅膠墊

0.8~3

 

 

SiO2

7.6

PA

0.25

水蒸汽

0.023

 

 

 

 

SIC

490

PC

0.2

0.5~0.7

 

 

 

 

GaAs

46

PMMA

0.14~0.2

硫酸5~25%

0.47~0.5

 

 

 

 

GaP

77

PP

0.21~0.26

木材(縱向)

0.38

 

 

 

 

LTCC

2

PP+25%玻纖

0.25

木材(橫向)

0.14~0.17

 

 

 

 

AlN

150

軟質(zhì)PVC

0.14

普通粘土磚

0.7~0.8

 

 

 

 

Al2O3藍(lán)寶石

45

硬質(zhì)PVC

0.17

耐火磚

1.06

 

 

 

 

Kovar

17.3

PS

0.08

水泥沙

0.9~1.28

 

 

 

 

鉆石

2300

LDPE

0.33

瓷磚

1.99

 

 

 

 

317

HDPE

0.5

石棉

0.15~0.37

 

 

 

 

429

橡膠

0.19~0.26

玄武巖

2.18

 

 

 

 

純鋁

237

PU

0.25

花崗巖

2.6~3.6

 

 

 

 

純銅

401

純硅膠

0.35

石蠟

0.12

 

 

 

 

純鋅

112

中密度硅膠

0.17

石油

0.14

 

 

 

 

純鈦

14.63

低密度硅膠

0.12

瀝青

0.7

 

 

 

 

純錫

64

玻璃

0.5~1.0

紙板

0.06~0.14

 

 

 

 

純鉛

35

玻璃鋼

0.40

鑄鐵

42~90

 

 

 

 

純鎳

90

泡沫

0.045

不銹鋼

17

 

 

 

 

36~54

FR4

0.2

鑄鋁

138~147

 

 

 

 

黃銅

70~183

環(huán)氧樹脂

0.2~2.2

Al 6061

160

 

 

 

 

青銅

32~153

 

 

Al 6063

201

 

 

 

 

 

 

 

 

Al 7075

130

 

 

 

 


 

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