خواص حرارتی آلومینیوم: رسانایی، انبساط، انتقال حرارت و محدودیت های دما

چرا آلومینیوم گرما را بسیار موثر منتقل می کند؟

آلومینیوم دارای رسانایی حرارتی تقریباً 235 W/m·K با چگالی تنها 2.70 g/cm³ است، به همین دلیل است که بر سینک های حرارتی، هسته های رادیاتور و پخش کننده های حرارتی غالب است. الکترون‌های آزاد بیشتر انرژی را حمل می‌کنند در حالی که ارتعاشات شبکه یا فونون‌ها بقیه انرژی را کنترل می‌کنند، بنابراین گرما به جای انباشته شدن در یک نقطه داغ، از طریق یک بخش جامد پخش می‌شود. مس هنوز در حدود 401 W/m·K هدایت بهتری دارد، اما بیش از سه برابر سنگین‌تر است، بنابراین بر اساس رسانایی-به جرم- آلومینیوم معمولاً در داخل یک محفظه برنده می‌شود.

گریدهای خالص تجاری مانند 1050، 1060 و 1100 بالاترین رسانایی را دارند. عناصر آلیاژی الکترون‌ها را پراکنده می‌کنند و عدد را پایین می‌کشند، بنابراین مقادیر زیر به‌جای جایگزینی برای داده‌های آزمایش آسیاب تایید شده، راهنمای اندازه‌گیری هستند.

انبساط حرارتی: محرک طراحی که هیچ کس نمی تواند نادیده بگیرد

ضریب خطی انبساط حرارتی آلومینیوم حدود 23 × 10 است^-6در هر K، نزدیک به دو برابر 12 × 10^-6به ازای هر K فولاد سازه ای بنابراین یک قطعه آلومینیومی 1 متری به ازای هر 1 درجه تغییر دما تقریباً 0.023 میلی متر رشد می کند، به همین دلیل است که شکاف های انبساط، سوراخ های پیچ و مهره های شکاف دار و لایه های چسب سازگار در هر جایی که فلز به صورت ساختاری استفاده می شود ظاهر می شود. این ضریب بیشتر به شبکه آلومینیومی تعلق دارد تا به مزاج، بنابراین انتخاب آلیاژ به سختی آن را تغییر می دهد، و تأیید از دیلاتومتری فشاری میله ای ASTM E228 پیروی می کند.

مبدل های حرارتی، باله ها و هندسه میکروکانال

نسبت رسانایی{0}}به وزن آلومینیوم تقریباً پانزده برابر فولاد کربنی است، به همین دلیل است که کویل‌های HVAC، رادیاتورهای خودرو و کندانسورها از آن ساخته می‌شوند. باله های حدود 0.1 میلی متری سطح را با وزن ناچیز چند برابر می کنند و لوله های میکروکانال با فشار دادن مبرد از طریق بسیاری از کانال های موازی کوچک به جای چند کانال بزرگ، انتقال را بیشتر می کنند.

استوک فویل و باله عمدتاً در 1100، 1200، 3003، 8011 و 8006 عرضه می‌شود و در مواردی که به استحکام باله‌های بالاتر نیاز است، از 8011 و 8006 استفاده می‌شود.

ورق لحیم کاری روکش دار یک لایه آلیاژی 4004 یا 4045 را حمل می کند، بنابراین یک پاس کوره به یک هسته کامل رادیاتور می پیوندد.

صفحه-هسته‌های باله‌ای برای دستگاه‌های الکترونیکی خنک‌شده با هوا-و خشک‌کننده‌های هوای فشرده- که در آن فشردگی بیش از درجه فشار اهمیت دارد، مناسب است.

قدرت در دماهای بالا و پایین

آلومینیوم خالص در حدود 660 درجه ذوب می‌شود و این سقف هر تصمیمی در مورد دمای بالا شکل می‌دهد. قدرت تسلیم شدیداً از حدود 150 درجه پایین می‌آید و سرویس مداوم بالای 400 درجه باعث انتشار مرز دانه‌ها می‌شود که خنک‌سازی نمی‌تواند آن را معکوس کند، در حالی که یک گشت و گذار کوتاه تا 300 درجه تقریباً نیمی از قدرت دمای اتاق{7}}تنها تا زمانی که قطعه به محیط بازگردد هزینه دارد. کرنش-سخت شده 3003، 3004، 5052 و 5083 مناسب سرویس گرم هستند، و در انتهای سرد، فلز انعطاف‌پذیری و چقرمگی بریدگی به دست می‌آورد، که 5083، 5052 و 6061 را در مخازن گاز مایع-با حلقه‌های انقباضی جذب کننده برودتی قرار می‌دهد.

پوشش ها، مفاصل و محدودیت های عملی

آنودایز کردن، رنگ آمیزی و پوشش پودری همگی رسانایی سطح را کاهش می دهند، زیرا لایه اکسید یا پلیمر عایق می شود، بنابراین مناطق رابط حرارتی قبل از اتمام پوشش داده می شوند. در جایی که آلومینیوم در یک محیط مرطوب و گرم با فولاد یا مس برخورد می کند، خوردگی گالوانیکی طراحی را کنترل می کند و نیاز به واشرهای عایق یا پوشش قربانی دارد. آلومینیوم همچنین در مقایسه با آلیاژهای پایه تیتانیوم یا نیکل-چرخه‌های حرارتی کرنش بالا کمتری را تحمل می‌کند، بنابراین اتصالات چرخه‌ای به هندسه منطبق نیاز دارند. لحیم کاری با پرکننده سیلیکونی-آلومینیوم دمای اتصال را زیر محدوده ذوب فلز اصلی نگه می‌دارد و جوشکاری اصطکاکی اغتشاشی تخلخل اتصالات مقطع ضخیم-را محدود می‌کند.

سوالات متداول

س: هدایت حرارتی آلومینیوم چیست؟
آلومینیوم خالص حدود 235 W/m·K را در دمای اتاق هدایت می کند، در حالی که آلیاژهای معمولی مانند 3003، 6061 و 5052 بین 120 و 195 W/m·K قرار دارند.

س: آیا مس رسانای حرارتی بهتری از آلومینیوم است؟
مس حدود 401 W/m·K در مقابل 235 W/m·K برای آلومینیوم دارد، اما آلومینیوم تقریباً یک سوم وزن دارد، بنابراین نسبت رسانایی{2}}به وزن آن معمولاً رقم مفیدتری است.

س: آلومینیوم هنگام گرم شدن چقدر منبسط می شود؟
ضریب خطی حدود 23 × 10 است^-6در هر K، بنابراین یک میله آلومینیومی 1 متری تقریباً 0.023 میلی متر در هر 1 درجه و حدود 0.23 میلی متر در یک افزایش 10 درجه رشد می کند.

س: آیا می توان از آلومینیوم بالای 300 درجه استفاده کرد؟
گشت و گذارهای کوتاه قابل تحمل هستند زیرا قدرت از دست رفته در گرما پس از خنک شدن برمی گردد، اما سرویس مداوم بالای 400 درجه مرزهای دانه را برای همیشه کاهش می دهد.

س: چرا پره های آلومینیومی فقط حدود 0.1 میلی متر ضخامت دارند؟
باله های نازک سطح سطح را در واحد حجم افزایش می دهند در حالی که وزن و هزینه مواد را پایین نگه می دارند و رسانایی به اندازه ای بالا است که باله در طول خود تقریباً همدما باقی می ماند.