Siltumvadības jomā "siltuma vadītspēja" neapšaubāmi ir visbiežāk minētais un visvieglāk pārspīlētais parametrs. Kad materiāls ir apzīmēts ar "augstu siltumvadītspēju", bieži tiek pieņemts, ka pēc noklusējuma tam ir lieliska siltuma izkliedes spēja. Tomēr reālās pasaules inženierzinātņu lietojumprogrammās situācija ir daudz sarežģītāka.
Pirmkārt un galvenokārt, ir jāprecizē pamatjēdziens: siltumvadītspēja ir materiāla galvenā īpašība, savukārt siltuma izkliede ir sistēmas{0}}līmeņa robežu problēma. Siltumvadītspēja raksturo, cik ātri siltums pāriet pašā materiālā, savukārt siltuma izkliede ir atkarīga no tā, vai siltumu var efektīvi noņemt no materiāla virsmas un izdalīt apkārtējā vidē. Pat ja materiālam ir izcila siltumvadītspēja, ja siltumu, kas sasniedz tā virsmu, nevar nekavējoties izvadīt pāri robežai, gala rezultāts būs vienlaicīga temperatūras paaugstināšanās gan materiālā, gan visā sistēmā.
Tieši šī iemesla dēļ daudzos lietojumu scenārijos "ātrā siltuma vadītspēja" bieži vien nozīmē, ka temperatūra vienmērīgi tiek sasniegta ātrāk,{0}}taču tas ne vienmēr nozīmē zemāku sistēmas temperatūru. Lai patiesi izprastu termiskās saskarnes materiāla inženiertehnisko vērtību, ir jāpievērš uzmanība vairākiem papildu kritiskajiem rādītājiem.
01 Īpatnējā siltuma jauda un termiskā difūzija
To, vai materiāls ir piemērots siltuma izkliedēšanai, nenosaka tikai siltumvadītspēja; īpatnējā siltumietilpība un termiskā difūzija ir vienlīdz svarīgi faktori, kurus nevar nepamanīt.
Īpatnējā siltumietilpība attiecas uz siltuma daudzumu, kas nepieciešams, lai materiāla masas vienības temperatūru paaugstinātu par 1 grādu. Materiāliem ar zemu īpatnējo siltuma jaudu piedzīvo strauju temperatūras paaugstināšanos, absorbējot nelielu siltuma daudzumu, un tiem trūkst spējas "uzglabāt siltumu un bufera temperatūras paaugstināšanos". Un otrādi, periodiskiem siltuma avotiem, kas saistīti ar palaišanas-apturēšanas cikliem, impulsiem vai slodzes svārstībām, materiāli ar augstu īpatnējo siltuma jaudu bieži var kalpot kā efektīvāks "termiskā bufera rezervuārs".
Termiskā difūzija ir visaptverošs rādītājs, kas raksturo materiāla spēju sasniegt temperatūras vienmērīgumu sildīšanas vai dzesēšanas procesā. Tas būtībā atspoguļo ātrumu, ar kādu siltums izplatās caur materiālu. Termisko difūziju nosaka siltumvadītspēja, blīvums un īpatnējā siltumietilpība, kas izteikta kā:
Siltuma difūzija=Siltumvadītspēja / (blīvums × īpatnējā siltuma jauda) ar mērvienībām m²/s.
Salīdzinot ar siltumvadītspēju vien, termiskajai difūzijai ir lielāka inženiertehniskā nozīme, aprakstot pārejošas siltuma izkliedes uzvedību. Lielāka termiskā difūzija nozīmē, ka materiāls var gan ātrāk vadīt siltumu, gan izvairīties no asiem lokāliem temperatūras lēcieniem enerģijas uzkrāšanās dēļ.
Piemēram, vara un CVD dimanta plēve rada klasisku kontrastu. Vara siltumvadītspēja ir aptuveni 400 W/m·K, mērena īpatnējā siltumietilpība un salīdzinoši augsts blīvums. CVD dimanta plēves siltumvadītspēja var pārsniegt 1000 W/m·K, taču tai ir zemāka īpatnējā siltumietilpība un mazāks blīvums. Atsevišķos īslaicīgos, augstas -karstuma-plūsmas lietojumos dimanta plēve-ar ļoti augstu termisko difūziju-var ātrāk novērst karsto punktu veidošanos. Tomēr scenārijos, kuros nepieciešama noteikta siltuma uzglabāšanas jauda, tā kopējā siltuma jauda joprojām var būt mazāka, salīdzinot ar apjomīgāku vara bloku.
02 Anizotropā siltumvadītspēja
Pēc tam apsveriet grafītu, grafēnu un pirolītiskā grafīta{0}}materiālus, kas pēdējos gados ir ieguvuši lielu uzmanību. Šiem materiāliem parasti ir spēcīgas anizotropās siltumvadītspējas īpašības: to siltumvadītspēja plaknē var sasniegt pat 1500–2000 W/m·K, savukārt biezuma siltumvadītspēja bieži vien ir tikai 5–20 W/m·K.
Ja siltuma plūsmas virziens nesakrīt ar materiāla dominējošo termisko asi, tā saukto -ļoti-augsto siltumvadītspēju var gandrīz tieši atcelt. Praktiskajā materiālu projektēšanā un ražošanā pildvielas orientācijas kontrole bieži ir atkarīga no ārējā lauka indukcijas vai īpašām apstrādes metodēm. Piemēram, izmantojot pildvielu magnētisko vai elektrisko īpašību atšķirības, pielietotais magnētiskais vai elektriskais lauks var izraisīt lamelāro struktūru virziena izlīdzināšanu, lai izveidotu ātrdarbīgus vertikālus termiskos ceļus. Alternatīvi, tādu procesu laikā kā lāpstiņas pārklāšana, ekstrūzijas formēšana vai šķiedru pārnešana, bīdes spēki var veicināt pārslu horizontālu izlīdzināšanu plūsmas virzienā. Tikai ar precīzu orientācijas kontroli var efektīvi virzīt fononu transportēšanu pa primāro termisko asi, tādējādi patiesi pārvēršot materiāla anizotropās priekšrocības par jūtamu siltuma izkliedes veiktspēju galaproduktos.
03 Citi kritiskie faktori sistēmas līmenī
Kad siltums beidzot sasniedz "pēdējo izkliedēšanas soli", materiāla raksturīgās īpašības vairs nav vienīgie galvenie varoņi. Virsmas emisijas spēja, virsmas morfoloģija un efektīvu konvekcijas apstākļu klātbūtne būtiski ietekmē galīgo siltuma izkliedes rezultātu.
Kā piemēru ņemiet alumīniju: vienam un tam pašam substrāta materiālam var būt krasi atšķirīgas siltuma izkliedes īpašības atkarībā no virsmas stāvokļa. Dabiskā konvekcijas vai vakuuma vidē spoguļ-pulētai alumīnija virsmai ir ārkārtīgi zema izstarošanās spēja, kas kavē siltuma izstarojuma izkliedi. Turpretim pēc anodēšanas, pārklājuma uzklāšanas vai virsmas raupšanas alumīnija virsmas izstarojuma spēju var ievērojami palielināt, tādējādi ievērojami uzlabojot radiācijas dzesēšanas spēju.
Turklāt ir problēma, kas bieži tiek ignorēta inženiertehniskajā praksē: daudzi termiskās saskarnes materiāli (TIM) faktiski kalpo kā saskarnes komponenti sistēmā. Parastie produkti, piemēram, termiskās smērvielas, spraugu spilventiņi un fāzes{1}}maiņu materiāli, iegūst ne tikai to siltuma vadītspēju. Vēl svarīgāk ir tas, ka to vērtība ir to spēja konsekventi un uzticami novērst gaisa spraugas un samazināt kontakta termisko pretestību ilgtermiņā.
Reālajās -pasaules sistēmās saskarnes termiskā pretestība var būt 30% līdz 70% no kopējās termiskās pretestības-tās ietekme var pat atsvērt atšķirības iesaistīto materiālu kopējā siltumvadītspējā. Šajā kontekstā īpaši svarīgas ir materiāla viskoelastīgās īpašības. Tādi faktori kā spiedes deformācijas spēja, spriedzes relaksācijas raksturlielumi un ilgstoša -šļūdes darbība tieši ietekmē materiāla kalpošanas stabilitāti un uzticamību ilgstoša mehāniskā spiediena apstākļos.