I 10 principali materiali termicamente conduttivi

Introduzione

Nell'ingegneria avanzata, la conduzione termica è essenziale per controllare il calore nei dispositivi e nei macchinari. I materiali ad alta conducibilità termicatrasferiscono il calore in modo efficiente, migliorando le prestazioni e l'affidabilità. Di seguito una guida classificata di dieci materiali di rilievo, a partire dai più conduttivi.

1. Grafene (in-plane) (~5000 W/m-K, 3000°C)

In cima alla lista c'è il grafene, una singola molecola di atomi di carbonio. La sua ineguagliabile conducibilità termica in piano lo rende adatto a microchip, elettronica flessibile e sistemi termici di prova. In qualche modo bloccato nelle fasi di ricerca, il grafene può essere una forza per un miglioramento rivoluzionario nell'elettronica ad alte prestazioni.

2. Diamante (~2200 W/m-K, 2000°C)

Il diamante offre un'eccezionale conducibilità termica e durezza. Il diamante è un elemento fondamentale per gli utensili da taglio ad alte prestazioni, per i diffusori di calore laser e per i dissipatori di calore aerospaziali, dove sono richieste prestazioni ad alta affidabilità in ambienti difficili.

3. Argento (~430 W/m-K)

L'argento è il miglior conduttore di calore metallico. Utilizzato nei circuiti stampati, nelle paste termiche e negli scambiatori di calore, l'argento è in grado di trasferire il calore dai componenti elettronici, ma è costoso per le applicazioni termiche su larga scala.

4. Grafite (in-plane) (~400 W/m-K, 150°C)

La grafite offre un'eccellente conduttività in piano a una frazione del costo del diamante o dell'argento. La struttura planare della grafite diffonde bene il calore nelle batterie, nei lubrificanti e nei diffusori di calore elettronici.

5. Nitruro di boro esagonale (h-BN, in-plane) (~400 W/m-K, 250°C)

L'h-BN è insolito in quanto offre un'elevata conducibilità termica e un'elevata insularità elettrica. È utilizzato nell'isolamento ad alta temperatura, nei sistemi di raffreddamento a liquido e nell'imballaggio dei semiconduttori.

6. Rame (~400 W/m-K)

Il rame rappresenta un equilibrio tra prezzo e prestazioni. Utilizzato per cablaggi, impianti idraulici e applicazioni di raffreddamento, è un conduttore termico di uso generale utilizzato a livello elettrico e meccanico.

7. Compositi argento-diamante (~1000 W/m-K, 600°C)

Un composito di argento e diamante viene preparato dagli ingegneri per ottenere un'elevata conduttività e un funzionamento ad alta temperatura. Viene utilizzato nell'elettronica aerospaziale e nei sistemi di difesa, dove sono necessarie sia le proprietà del metallo che quelle del diamante.

8. Carburo di silicio (SiC) (~270 W/m-K, 120°C)

IlSiC è apprezzato per la sua resistenza alle sollecitazioni e per la sua conducibilità termica. È utilizzato nell'elettronica ad alta potenza, nei componenti ceramici e nei sistemi che richiedono resistenza al calore e longevità.

9. Alluminio (~205 W/m-K)

L'alluminio è resistente alla corrosione, leggero e semplice da produrre. Utilizzato nelle applicazioni automobilistiche, nei radiatori e nell'elettronica di consumo, offre una conduttività adeguata nelle applicazioni in cui il peso è un fattore importante.

10. Nitruro di alluminio (AlN) (~180 W/m-K, 140°C)

L'AlN offre una conducibilità termica di prim'ordine con isolamento elettrico, che lo rende adatto alla microelettronica, ai circuiti ad alta frequenza e alla gestione termica a spessore sottile.

Tabella riassuntiva

Per dati più specifici e assistenza tecnica, consultare Stanford Advanced Materials (SAM).

Conclusione

Dall'innovativa conduttività in piano del grafene alla combinazione di isolamento e conduzione del calore del nitruro di alluminio, questi materiali soddisfano un ampio spettro di specifiche ingegneristiche. La scelta del materiale più adatto dipende dall'intervallo di temperatura, dalle proprietà elettriche, dalla spesa e dalle esigenze specifiche di prestazione.

Domande frequenti

F: Perché un materiale ha una conducibilità termica?

D: Il legame atomico e la struttura influenzano la capacità di un materiale di condurre il calore.

F: Come si usa un'elevata conduttività termica in elettronica?

D: Aiuta a dissipare il calore in eccesso, protegge i componenti e mantiene il funzionamento del dispositivo.

F: Questi materiali sono utilizzati in condizioni di temperatura estreme?

D: Sì, molti di essi funzionano bene anche a temperature elevate, garantendo l'affidabilità in ambienti difficili.