材料与热传递

热传递，是热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温部分的过程。热传递是自然界普遍存在的一种自然现象。 只要物体之间或同一物体的不同部分之间存在温度差，就会有热传递现象发生，并且将一直继续到温度相同的时候为止。发生热传递的唯 一条件是存在温度差，与物体的状态，物体间是否接触都无关。热传递的结果是温差消失，即发生热传递的物体间或物体的不同部分达到 相同的温度。在热传递过程中，物质并未发生迁移，只是高温物体放出热量，温度降低，内能减少（确切地说是物体里的分子做无规则运动的平均动能 减小），低温物体吸收热量，温度升高，内能增加。因此，热传递的实质就是能量从高温物体向低温物体转移的过程，这是能量转移的一 种方式。热传递转移的是热能，而不是温度。编辑本段热传递有三种方式传导、对流和辐射。1、传导： 它具有依靠物体内部的温度差或两个不同物体直接接触，在不产生相对运动，仅靠物体内部微粒的热运动传递了热量；a. 固体与液体：分子碰撞；b. 固体与固体间：自由电子运动；c. 气体之间：分子热运动；2、对流： 流体中温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递的过程；（1）自然对流：靠物体的密度差，引起密度变化的最大因素是温度；（2）受迫对流：（是靠认为作功）受到机械作用或压力差而引起的相对运动； 13、热辐射： 物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射，由于热的原因，物体的内能转化为电磁波的能量而进行的辐射过程。任何物体只要在 0K 以上，就能发生热辐射，是红外线探测运用的较广，在空分中运用的较 少，板翅式换热器真空钎焊加热是依靠热辐射。钎焊的目的是破坏铝材表面严密的氧化铝膜，650C高温，以前是运用盐熔炉，能耗大； 影响换热系数的几个因素：1、流体的流动状态：a. 层流：易产生热边界层；b. 紊流：破坏热边界层，多运用紊流；c. 过渡层：2、流体的流速：流速大， 大；3、放热面形状：光滑： 大；粗糙： 小。 传导热从物体温度较高的部分沿着物体传到温度较低的部分，叫做传导。 热传导是固体中热传递的主要方式。在气体或液体中，热传导过程往往和对流同时发生。各种物质都能够传导热量，但是不同物质的传热 本领不同。善于传热的物质叫做热的良导体，不善于传热的物质叫做热的不良导体。各种金属都是热的良导体，其中最善于传热的是银， 其次是铜和铝。瓷、纸、木头、玻璃、皮革都是热的不良导体。最不善于传热的是羊毛、羽毛、毛皮、棉花、石棉、软木和其他松软的物 质。液体中，除了水银以外，都不善于传热，气体比液体更不善于传热。对流是靠液体或气体的流动来传热的，是液体和气体中热传递的主要方式，气体的对流现象比液体更明显。 利用对流加热或降温时，必须同时满足两个条件：一是物质可以流动，二是加热方式必须能促使物质流动。辐射：由物体沿直线向外射出，叫做辐射。用辐射方式传递热，不需要任何介质，因此，辐射可以在真空中进行。地球上得到太阳的热， 就是太阳通过辐射的方式传来的。一般情况下，热传递的三种方式往往是同时进行的。 编辑本段更多信息补充内容：一、热传递与动量传递、质量传递并列为三种传递过程。二、热传递与热传导的关系有许多人在学习物理、解答物理习题时，常把热传递与热传导混为一谈， CPU 热传递 认为热传递与热传导描述的是同一物理过程，殊不知它们是两个不同的概念。由内能与热能一节以及热、热运动与热现象的阐述可知，物体的内能就是组成物体全部分子、原子的动能、势能和内部电子能等总和，物 体内能的改变可以通过分子、原子有规则运动的能量交换来达成，也可以通过分子、原子的无规则运动的能量交换来达成（或者是两者兼 有）。前者能量交换的方式就是作宏观机械功的方式，后者能量交换的方式就是所谓的热传递。更确切地讲，所谓热传递就是没有作宏观 机械功而使内能从一个物体转移到另一个物体，或者从物体的一部分转移到另一部分的过程。它通过热传导、对流和热辐射三种方式来实 现。实际热传递过程中，这三种方式常常是相伴进行的，重要的是看哪一种方式占主要地位。在热力学中，把除了热传递以外的其他一切 能量转移方式都归于作功。所以，热传递和作功是能量转移的两种方式，除此之外没有其他方式。由以上论述可知，热传递是能量传递的一种方式，它具体又包括热传导、对流和热辐射三种形式。为了帮助大家能把热传递与热传导更好 地加以区别，下面我们有必要对热传导、对流和总辐射分别作论述。编辑本段实质热传导指的是物质系统（气体、液体或固体），由于内部各处温度不均匀而引起的热能（内能）从温度较高处向温度较低处 输运的现象。热传导的实质是由大量分子、原子或电子的相互碰撞，而使热能（内能）从物体温度较高部分传到温度较低部分的过程。热传导是固体中 热传递的主要方式，在气体、液体中它往往与对流同时发生。各种物质的热传导性能不同，热传导过程的基本定律是傅里叶定律。 对流作为热传递的一种途径，是流体（气体、液体）中热传递的主要方式。它是指流体中较热部 热传递与热传导 分和较冷部分在流体本身的有序的循环流动下的相互搀和，使温度趋于均匀从而达到热能（内能）传递的过程。对流往往自发产生，这是由于温度不均匀性所引起的压力或密度差异的结果。 至于热辐射，它是指受热物体以电磁辐射的形式向外界发射并传送能量的过程。物体温度越高，辐射越强。与热传导、对流不同，热辐射 能把热能以光的速度穿过真空，从一个物体传给另一个物体。任何物体只要温度高于绝对零度，就能辐射电磁波，波长为0. 440微米 范围内的电磁波（即可见光与红外线）能被物体吸收而变成热能，故称为热射线。因电磁波的传播不需要任何媒质，所以热辐射是真空中 唯一的热传递方式。例如，太阳传给地球的热能就是以热辐射的方式经过宇宙空间而来的。由此可见，热传导与热传递是两个从属关系概念，热传递概念的外延明显宽于热传导概念的外延，故热传递是一个属概念，而热传导是一 个种概念。编辑本段热传递的实质用热传递的方式来改变物体内能，就是一个物体的一部分内能转移给另一 热传递 个物体，或者是内能从同一物体的高温部分转移给低温部分。（内能转移过 程）颜色深的吸收热量多两个物体之间或者一个物体的两部分之间能够发生热条件 ,那就只有一个原因:存在温度差.火焰与水壶之间能发生热传递,就是因为火焰的 温度比水壶的温度高.水开始烧后不久,就能看到壶中的水在对流,也就是因为下面的水比上面的水的的温度高了些.热传递的定义:热传递，是热从温度高的物体传到温度低的物体，或者从物体的高温部分传到低温部分的过程。热传递是自然界普遍存在的一种自然现象。 只要物体之间或同一物体的不同部分之间存在温度差，就会有热传递现象发生，并且将一直继续到温度相同的时候为止。发生热传递的唯 一条件是存在温度差，与物体的状态，物体间是否接触都无关。热传递的结果是温差消失，即发生热传递的物体间或物体的不同部分达到 相同的温度。热传递基础知识及各种导热材料应用咨询：简介电子产品热管理过程的目标是从半导体与周围环境的结合部分有效的散热。该过程可以 分为三个主要阶段： 1 半导体组件包装内的热传递 2 从包装到散热器的热传递 3 从散热器到周围环境的热传递第一阶段的热量 产生是热解决工程师所不能控制的。第二和第三阶段是热解决工程师需要解决的问题，为实现这一目标热设计工程师不仅需要对热传递过 程有全面的了解，而且还要有具备可用界面热传递材料的知识，并深刻了解影响热传递过程的重要物理特性。基本理论 热通过材料的传 导速率与热流的法线面积以及沿热流路径的温度梯度成正比。对于一维的，状态稳定的热流来说，速率可用傅立叶等式表示为： 1 Q=kA. T/d k为导热系数，单位W/m-K Q为热流速率，单位W A为接触面积d为热流距离AT为温度差 导热系数k是均质材料的固有特性，它体 现了材料的导热能力。它与材料的尺寸，形状和方向没有关系。导热材料还有另外一个固有特性就是热阻R 2 R=A.AT/Q此特性用于 度量特定厚度的材料抵抗热流的能力。将等式2代入等式1 就可以得到k与R的关系。3 k=d/R等式3显示，对于均质材料来说，热阻 与厚度成正比；对于非均质材料来说，热阻通常随材料的厚度增加而增加，但不是线性关系。 在实际应用当中，热源的物体表面是非理 想的平整表面，在与导热材料结合时会产生热阻，这个热阻是由于结合处的空气间隙产生的。 因此，材料的总阻抗等于材料的固有热阻 加上材料与热源表面接触热阻之和，可表示为：4 R总=R材料+R接触因此，表面的平滑度和粗糙度以及夹紧力，材料厚度和压缩 模数对接触热阻都有重要的影响。热界面材料TIM正是因为热源表面不是理想的完整的平面，总是存在微观的表面粗糙度。当和导热 材料接触时，会产生较大的接触热阻。为了减少这种对热流的阻力，将一些导热界面材料填充在它们之间克服这种对热流的阻力，现在， 跨越电子有限公司已经开发出多种类型的材料可满足用户使用要求，这些材料如下： 1 相变材料这种材料是采用加有导热填料的硅或其 他聚合树脂。它既有油脂的高热性能，又有垫片的易处理性和即撕即粘的特点。当温度上升到熔点温度时（45C55C）,相变材料就会 变软，类似于油脂，流动于整个接触表面，这种液体的流动将排除所有因接触表面粗糙而产生的空隙。以达到接触表面完全接触的理想状 态，使接触热阻降到最低。这些材料已经广泛使用在微处理器，中央控制器，图形处理器，芯片组，功率放大器和开关电源，展示出非常 出色的导热性能和高可靠性。 2 导热石墨片导热石墨片散热效率高、占用空间小、重量轻，沿两个方向均匀导热，消除热点区域，屏蔽 热源与组件的同时改进消费类电子产品的性能导热系数高达水平导热150-1200W/M.K，垂直导热20-30W/M.K，比金属的导热还好，耐高 温400C，低热阻：热阻比铝低40,比铜低20。质轻，比重只有1.0-1.3柔软，容易操作，颜色黑色，厚度0.1-1.0MM，可按要求背胶， 此产品导电需注意，主要用途：应用于笔记本电脑、大功率LED照明、平板显示器、数码摄像机、移动通信产品等.3导热粘合带导热粘 合带是采用了导热填料的丙烯霜基或硅基的压敏粘合剂。这种材料使用非常方便，不需要机械夹紧力。它依靠表面PSA粘合散热装置和热 源表面。导热性能主要看表面接触面积大小。广泛用于LED日光灯、LED面板灯、LED背光源TV等.4填缝材料导热硅胶片填缝材料是 一种非常软的可导热的硅弹性体，主要用于半导体组件和散热表面之间的又大又多变的间隙导热情况，不需要任何压力填充器件或组件之 间的间隙，导热硅胶片具有一定的柔韧性、优良的绝缘性、压缩性、表面天然的粘性，专门为利用缝隙传递热量的设计方案生产，能够填充 缝隙，完成发热部位与散热部位间的热传递，同时还起到绝缘、减震、密封等作用，能够满足设备小型化及超薄化的设计要求，是极具工艺性和 使用性，且厚度适用范围广，是一种极佳的导热填充材料而被广泛应用于电子电器产品中。 5 有机硅导热灌封胶现场成型化合物是活性 的两组件式硅RTV，可以用于在组件和冷表面之间的距离可变时形成的热路径。它们分散到组件中，导出外壳箱体，可以立即填充复杂的 几何体，然后就地固化。起到导热、绝缘、防水、密封、防震等作用。 6 绝缘垫片绝缘垫片具有高导热系数，高电介质强度，高体积电 阻率的特点。采用硅粘合剂提供高温稳定性和电绝缘特性，采用玻璃网加固物提供切穿阻力。这种材料安装时需要较大的夹紧力以减少接 触热阻。热界面材料的关键特性一热特性1热阻抗由等式3可以得到热阻等于R=d/k,此等式表明热阻与导热系数k成反比，与材料 厚度成正比。也就是说材料的导热系数是一个常数，热阻只与材料的厚度有关，厚度越厚热阻就越大，反之越小。接触热阻是可以人为控 制的，依据接触表面选择合适的导热界面材料。这样才能控制总导热阻抗。 2 导热系数导热系数是确定导热材料的导热能力的标志。导 热系数越大导热性能越好。二 电气特性 1 击穿电压击穿电压的测量是在特定的条件下导热材料可以经受多大的电压值。此数值表明了导 热材料的电绝缘能力。该数值在潮湿，高温环境下会受到影响，因为导热材料吸收了空气中的水分。 2 体积电阻率体积电阻率用于度量 单位体积材料的容积电子阻力。体积电阻率是指导热材料在通电组件和金属散热器件之间电流泄漏的能力。和击穿电压一样也会受潮湿和 高温的影响还使体积电阻率下降。三 弹性体特性 1 压缩变形压缩变形是指偏转时施加的合力。当施加压缩负荷时，弹性体材料会发生形 变，但材料的体积保持不变。压缩变形特性可能会根据部件的的几何体，偏转率和探针的大小等而发生变化。 2 应力弛豫当在界面材料 上施加压力时，最初的变形后，会缓慢的发生弛豫过程，随后除去压力，这一过程会持续到压力负荷与材料的内在强度达到平衡为止。 3 压缩形变压缩形变是应力弛豫的结果，材料忍受压力负荷的时间过长，部分变形就会成为永久变形，在负荷减轻之后不可恢复。 热设计 热 设计是一门综合学科。热设计也象EMI问题产生一样，它也有三要素：热源热传递介质（导热界面材料）散热装置。作为一名 资深的热设计工程师需要对整个热产生成因和热传递流程要有全面的了解。热设计时要把握好各个环节，譬如，热设计可以从热源来进行 控制，那么如何去控制热源呢？大家都知道热量的产生是由于电流形成的，我就不多说了；热传递介质作为热源与散热器连接中间件将热 量传递给散热器，热传递介质的传热能力用热阻来衡量，一般导热材料的热阻越低表明热传递能力越强，热阻与导热系数是反比关系，导 热系数越大也表明导热材料的热传递能力越强。选择导热界面材料时这是一个重要的参数；散热装置是最终热量耗散装置。散热装置最终 将热量散发到空气中。对于金属块散热装置的散热效率决定于金属材料的属性。常用铜或铝作为散热器材料。以上是从原理上来进行热量 控制和热传递设计的。在实际的产品热设计时，需要对产品的整个结构，发热源的界面形状，发热源的界面电气特性，发热源界面热特性 来设计散热器的形状和尺寸并选择合适的热传递介质来传递热量。 导热界面材料有很多种类型，这是为热设计工程师提供许多的热设计 方法。依据热设计需要来选择合理的导热界面材料。当确定好导热界面材料后，再来确定导热材料的具体参数来达到热传递要求。不同的 导热界面材料有不同的独特特性和应用场合，作为一个好的热设计是都可以实现不同导热界面材料的互换。