高熱伝導率材料

導入

今日のエンジニアリングの世界では、高熱伝導率の材料が非常に重要です。これらは、電子機器、自動車、エネルギー システム、あらゆる種類の産業機械の内部のいたるところで見られます。-基本的に、熱伝導率は、材料がある場所から別の場所に熱をどれだけうまく移動させるかを表し、通常はワット/メートル-ケルビン (W/m・K) で測定されます。

材料が熱を速く伝えると、物事を冷たく保ち、スムーズに動作するのに役立ちます。銅とアルミニウムが非常に人気があるのはこのためです。彼らは素晴らしい仕事をしますが、大金はかかりません。ただし、パフォーマンスをさらに向上させる必要がある場合は、ダイヤモンドやグラファイトなどの高度なオプションがあります。

たとえば、ダイヤモンドは、1000 ～ 2200 W/m・K の熱伝導率でほとんどの金属を水から吹き飛ばします。したがって、どの材料がどのような働きをするのかを知ることで、ヒートシンクやその他の冷却システムに適した材料を選択することがはるかに簡単になります。

アルミニウム製ヒートシンク

高熱伝導率材料の分類
 

熱をうまく移動させる材料には、金属、セラミック、炭素ベースのもの、複合材料の 4 つの主要なグループがあります。-金属は熱伝導に優れているだけでなく、成形や加工が非常に簡単であるため、-ほとんどの産業で最適です。-銀と銅がリストのトップで、銀は約 429 W/m·K で、銅は 401 でそれに続きます。アルミニウムも 237 で、それほど遠くありません。窒化アルミニウムや炭化ケイ素などのセラミックは、二重の役割を果たします。-熱をうまく処理し、電気を遮断するため、電子機器の心臓部に最適です。

さて、炭素ベースの材料は、一種の独自のクラスです。{0}グラファイトとダイヤモンドを思い浮かべてください。グラファイトは約 150 W/m・K に達しますが、ダイヤモンドはそのパフォーマンスで他のものをまったく無視します。次に、銅-ダイヤモンドやアルミニウム-グラファイトなどの複合材料があります。これらのブレンドは、エンジニアが必要に応じて熱特性と機械的特性の両方を調整できるため、ますます人気が高まっています。結局のところ、コスト、重量、導電性、実際の部品の製造のしやすさなどのバランスを考慮して、仕事に適した材料を選択することがすべてです。{9}}

主要な特性とパフォーマンス要素
 

高熱伝導率の材料は、その伝導率の数値だけに依存するわけではありません。実際の状況では、熱拡散率、密度、比熱、さらには熱による材料の膨張量など、さまざまな要素が関係します。-金属は主に自由電子によって熱を移動させますが、ダイヤモンドのような非金属はフォノンとして知られる格子内の振動を利用します。{4}}ダイヤモンドが電気絶縁体でありながら、信じられないほど高い熱伝導率を持っているのはこのためです。

もう 1 つ留意すべき点は、一部の材料には異方性があるということです。たとえばグラファイトを考えてみましょう。-その熱伝導率は測定する方向によって変化します。次に、表面仕上げ、純度、温度があります。これらすべてがパフォーマンスを変える可能性があります。不純物や欠陥が導入されると、ほぼ即座に導電率の低下が見られます。

エンジニアは、材料がどのように連携するかにも注目します。頻繁に加熱および冷却するシステムを扱っている場合、熱膨張の違いによって機械的ストレスが発生したり、場合によっては故障が発生したりする可能性があります。-つまり、これは単なる数字遊びではなく、実際にはバランスを取る行為なのです。

銅製ヒートシンク

現代産業における応用
 

高熱伝導率材料はあらゆる種類の産業で大きな役割を果たしています。たとえば、電子機器の場合、-CPU や GPU のヒートシンク、サーマル パッド、冷却システムはすべて、スムーズな動作を維持するためにこれらの材料に依存しています。ここには銅とアルミニウムがいたるところにあります。安価で、扱いやすく、仕事をやり遂げます。

太陽光インバーターや蓄電池などの再生可能エネルギーに注目すると、熱を素早く逃がすことが重要です。そうしないと、パフォーマンスが低下し、部品の消耗が早くなります。車や飛行機では、別のバランスをとる必要があります。熱をよく伝える素材が必要ですが、軽量であることも必要なので、アルミニウム合金や高級複合材料が優先されます。

次に、ハイテク分野である-半導体とレーザー システム-では、最高のものだけが機能します。そこで、ダイヤモンドと窒化アルミニウムの出番です。これらの材料は、汗をかくことなく極度の熱に対処し、状況が激しくなった場合でも安定した状態を保ちます。

デバイスは年々小型化、高性能化が進んでおり、より優れた放熱材料が常に求められています。これにより、これまでにないほど熱を処理する新しい複合材料やナノマテリアルなどのすばらしい画期的な進歩が推進されています。

将来のトレンドとマテリアルイノベーション
 

次世代の高熱伝導率材料は、高度な複合材料とナノテクノロジーの画期的な進歩によって形成されています。科学者はグラフェン、カーボン ナノチューブ、ヒ化ホウ素などの材料に注目しています。-これらはすべて、特にナノスケールでの熱の移動に関して限界を押し広げています。カーボンナノチューブを例に考えてみましょう。研究室の設定では、熱伝導率が 6000 W/m·K を超えることもある--グラフを示しました。

しかし、それは単一の材料だけではありません。人々は金属とセラミックを混合したり、炭素ベースの構造を織り込んだりして、強度と熱管理のバランスをとったハイブリッドを作成しています。-積層造形などの新しい製造技術により、エンジニアは以前は不可能だった形状でヒートシンクを設計できるようになり、さらに効率が絞り出されます。

電子機器は小型化、高性能化を続けているため、よりスマートな熱管理を求める競争は衰えることがありません。これらの改善は机上で興味深いだけではなく、-電気自動車、超効率的なデータセンター、ハイパフォーマンス コンピューティングの状況を変えています。-未来がどこへ向かうのか知りたいなら、おそらくこれまで以上に寒くなっているはずです。

概要表

パワーウィンクスは、アルミニウムおよび銅製ヒートシンク、スカイブドフィンヒートシンク、液体コールドプレートなどの高度な熱管理ソリューションを専門とする専門メーカーです。 PowerWinx は、ダイカスト、CNC 加工、ろう付け技術における強力な専門知識を備えており、エレクトロニクス、再生可能エネルギー、自動車アプリケーションなどの業界に合わせた高性能でコスト効率の高い冷却ソリューションを提供しています。{1}{2}

ISO 9001 / IATF 16949