会计材料成本差异率公式,热设计基础：材料和计算

导读：核算材料成本差异费率公式，热设计基础:材料和计算本文是对当今可用热材料的基本了解，以及热设计的一般设计考虑。本文涵盖用于被动散热的热导率、热界面材料和金属材料。(图片

核算材料成本差异费率公式，热设计基础:材料和计算

本文是对当今可用热材料的基本了解，以及热设计的一般设计考虑。本文涵盖用于被动散热的热导率、热界面材料和金属材料。

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基本传导方程

傅立叶定义的系统传导方程如下:

Q = -k (dT/dx)

Q =是单位面积的热流K =导热系数(W/mK)，dT/dx =单位长度变化的温度变化T =温度x =长度。

另外，Q = q/A，其中Q =焦耳/秒(瓦特)，A =垂直于热流方向的截面积。对于一个简单的一维设计问题，在计算网络电阻模型时，这个方程可以简化为:

q = k * A *δT/X

利用这个方程，可以对所需的热导率范围进行一些基本的设计估算。选择材料或确定暖气片、散热器或热交换器的尺寸或形状，可以通过简单的手工计算快速估算。

通常散热器或热交换器选用的材料是铝合金。当需要更高导电性的材料时，最常选择铜合金。我们如何选择要使用的合金？有许多选项可供选择。我们必须研究不同材料选项之间的权衡、我们设计的复杂性、我们的设计成本以及将用于制造零件和组件的制造技术。这些都很重要，还必须考虑材料的特性，以保证材料具有足够高的热导率和/或热容量。可能需要考虑的其他物理性质是屈服强度和挠曲模量，以及材料的热膨胀系数、密度和比热。

表1列出了常用的材料及其可用于设计研究的属性。

表1:常见金属及其特性

在许多设计应用中，通常使用结构(外壳或壳体)作为散热方法，而不是使用特殊的热交换器或散热器。

一个例子是电子电路板，其中被动散热技术是一个着陆或安装表面(图1)。在该区域确保了良好的热接触，并且热负荷从该界面传导到底盘的外表面。散热机制是与周围空气的自然对流。这使得我们需要考虑更广泛的材料来解决我们的热管理要求。

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CTE(热膨胀系数)

热膨胀系数(CTE)是一个附加的材料属性，在普通机构、仪器或其他设备的设计中可以忽略。材料的伸缩会直接影响功能和性能。如果最坏情况的公差叠加使得你的配合在室温下非常边缘，那么在极热或极冷的极端条件下零件的间隙会发生什么变化？一个例子就是配合不同材料的运行间隙。当产品达到其工作温度范围的极限时，和/或当考虑制造公差时零件的额外尺寸发生变化时，这些可能会造成限制。

热阻

接触电阻或热界面电阻是热量在直接接触的两个表面之间流动的能力。两个部分的界面在分子水平上是不相连的，所以这会影响两个不同项目的电子容易相互作用和跨边界转移能量的能力。如果在显微镜下观察表面接触，很容易看出界面处没有光滑的接触。微尺度拓扑结构是一系列带有间隙的粗糙脊和谷(图2)。

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精细的表面光洁度可以降低热阻，但是这种表面光洁度是有代价的。它们通常经过精密加工或研磨。如果您使用铸造或MIM(金属注射成型)零件，您需要执行后处理操作以获得非常精细的表面光洁度。这些额外的过程会显著增加零件的成本。可以使用商用热接口材料进行权衡。这些可从一系列供应商处获得。表2显示了一些可用的选项。

热量接口材料

注意，热阻随接触压力和材料接口而变化，因此未在表2中列出。设计者应仔细选择厚度，并设计可通过制造公差获得的压缩范围或间隙。对于热脂、环氧树脂和化合物，在装配过程中或设计本身就要将胶层厚度控制在一个确定的值，以正确设计设计所要求的热阻，满足工程的需要。

市场上有许多导热膏和间隙垫可供选择。这个行业竞争非常激烈，设计工程师会通过一些简单的搜索找到很多可供选择的选项。这些材料的热导率范围从约1.0 W/mK到高达17 W/MK。

薄接口材料可以通过填充接触点之间的间隙来帮助降低接触热阻，并且它们比间隙焊盘薄的事实意味着通过材料的温升将低于较厚的材料的温升。除了gap gad 材料之外，另一种选择是可以就地分配的热化合物或泡沫。这些材料用于填充发热元件或不同高度的表面(如电路板)之间的间隙，其中热量必须从多个表面传递到散热片或散热器。

金属热界面

对于更具挑战性的应用，可以使用金属热接口材料。石墨材料在今天的市场上很容易买到。铟合金箔也可以，只是价格稍贵。箔片的优点不仅在于更高的热导率，而且它们的柔软性可以在材料之间的边界处产生非常低的热阻。这适用于基于铟和银的石墨产品和金属箔。

聚合物基热界面材料和金属箔基热界面差异之间会有一个价格材料。金属材料的成本会更高。设计权衡必须基于项目要求、预算限制和热接口的容许温升。

导热油脂

在系统设计中，也可以在容许接口上考虑散热膏。这是一个众所周知的方法，可以使用许多资源来帮助找到正确的解决方案。这可能是一种低成本的设计解决方案，有助于显著降低接口的热阻。然而，这可能是以性能为代价的(因为界面干燥可能最终发生)，其他部件的内部污染，或者在组装或维护的便利性方面的额外复杂性。例如，汽车或军用电子设备和设备仓库维护是设计考虑的一部分。

高导热环氧树脂及浆料

对于具有更高热通量密度或更复杂几何形状的设计，可以使用高导热环氧树脂和浆料。一些载银环氧树脂高达60w/m·K，创新者不断推动更高的限制。环氧树脂通常用于帮助用螺栓组装外壳，在外壳上安装热交换器，或用于更复杂的精密组装，如半导体元件的激光晶体安装或芯片安装封装。

市场上有很多种环氧树脂。在不久的将来，金刚石热界面材料和化合物发展迅速，并推动越来越高的能力。

瞬态注意事项

出于瞬态热考虑，应注意材料的比热值。这是材料保持单位质量能量的能力。当热负荷条件是间歇的或周期性的时，这可能是设计的一个重要部分。正确选择材料有助于优化系统的瞬态热性能。如果考虑比热乘以密度，得到的值可以显著知道你的材料热容或其体积热容。比热乘以密度的单位是[焦耳/(开尔文·立方米]或[焦耳/立方厘米]。

那么，对于每立方米特定的材料物体，将物体温度升高1℃需要“X”焦耳，对于今天的大多数电子、机电和机器人应用，你很可能使用比1立方米小得多的材料，由此可见，局部温升可以很容易地在瞬间升高几度，只需要几瓦[焦耳/秒]的废热。

整体热传递

如果知道系统的废热，就可以计算出总的温度。热传递方程为:

q Dt =ρV Cp Dt {参考文献2}

其中Q =传递给系统的热量，比热(j/kg k) dt =施加的时间能量(s) ρ = 材料密度(kg/m 3)V = 材料瓦特[/k0/]。

热扩散方程* * * *

α = k/ (ρ *Cp)

其中k =热导率，w/(m.k) ρ =密度(kg/m) CP =比热容，j/(kg.k)

现在材料的热导率非常重要，因为它与瞬态热负载期间系统中出现的热梯度直接相关。当比热乘以密度再乘以导热系数材料时，瞬时值就是热扩散率。在某些设计中，瞬态温升可能足够低，以至于导热率或热扩散并不重要，可以使用导热率更低、密度和比热更高的材料，如钢或不锈钢。

这导致另一种材料可考虑用于电路板级元件冷却:相变材料和热界面材料:

相变接口材料

这些材料中的大多数被设计成使得它们在相变期间保持在室温下存在的材料的局部体积中。通常，包括我自己在内的许多设计工程师可能会对使用这种类型的材料犹豫不决，因为担心材料粒子可能会在材料发生相变时逃逸到周围的组件中。大多数供应商都意识到了这个问题，他们的产品在设计上就没有这个问题。未经仔细设计考虑，不建议在相同面积或体积的精密光学系统中使用这种材料。

其他材料(例如石蜡)已被用作相变存储器或空腔来为瞬态设计存储热量。考虑到额外的瞬时负载，移除稳态热负载的设计增强是将金属冷却路径与嵌入的相变材料或蜡相结合。该设计可以集成具有嵌入式相变材料的导电路径(例如金属鳍或金属泡沫)。这种设计允许移除稳态负载，并具有处理更高周期性负载的额外能力。

高电导率材料

除了铜，我们开始寻找更奇特更昂贵的材料。这些材料通常是碳基材料。注意这些高导热材料具有各向异性的导热系数，也就是说导热系数随方向而变化。这些材料倾向于在XY方向上具有高电导率，而在整个材料厚度(Z)上电导率低得多。所提供的图表(表4)显示了商用材料的有效导热系数。

这些材料可以有效地作为热沉，降低发热部件界面处的局部热梯度，然后与“Z”方向导热系数更高的材料配合使用。

一些更先进的材料已经商业化，比如石墨-铝复合材料低密度高导电。甚至这些下一代材料都适合特殊的设计场景。肯定有个特例，就是货物重量要求超过成本。该制品可以以这样的方式使用，即其较低的屈服强度和弹性模量不会影响系统或设备的结构性能。

通过在网上快速搜索，很多研究机构和大学都在推动石墨烯(5000 W/mK)作为潜在热界面材料和碳纳米管(3500 W/mK)的研究。出现了一些公司，他们已经做出了这些技术的一些非常小规模的版本。将其纳入设计的真正技巧是让项目经理相信该技术物有所值，然后让可靠性工程师相信在设计中使用它不会引起任何长期的可靠性问题、腐蚀或污染问题。

当需要非常高的热导率时，热设计者有一个额外的选择，即热管。预期的有效热导率从6000 W/mK开始，但可能远高于10000 W/mK。

我希望本文能为读者提供热管理设计考虑因素的回顾或基本介绍，以及您在下一个设计中可以选择的材料。

总结:以上内容是对会计材料成本差异费率公式、热设计基础:材料和计算的详细介绍。文章部分内容转载自网络，希望了解材料费用差异费率/[