金属热传导PPT课件

提高热传输效率的方法主要有两个：一是优化 电化学性能和采取先进的制造工艺，尽量降低 器件内部的功率耗损，提高能源的利用率，从 而降低能量密度；二是利用热特性， 在了解 各设备热失效参数的条件下，通过选用合适的 导热材料，降低设备与大气环境之间的热阻， 以保证散热器件在一个比较低的温度下工作， 并把设备内部有害的热量用较小的代价尽可能 释放掉，使设备在其所处的环境条件下，保持 在按照要求规定的温度范围之内。
在进行热设计的过程中一般采用“热阻”
的概念来定义热量传输的阻力：
R

T
q
其中，ΔT 为温度差(℃)，q 为热流量(W)， R 为热阻(℃/W)。
一般地，工业器件所产生热量的传输路径如 下：一是该设备在工作过程中由功率耗损而 产生的热量，即中心热源(芯片级热阻)；二 是该热源的热量以热传导的方式传输至设备 的表面并开始与大气环境产生交互作用(印刷 版级热阻)；三是设备表面的热量通过导热、 对流和热辐射向环境中传输(系统级热阻)。 所以，热设计的总原则就是自中心热源至大 气环境中间，提供一条尽可能快、尽可能短 的热传输通道。
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2019/7/11
如何让散热器件具有优异的散热性能，使其在长时间内保持持 续可靠的工作状态，是目前散热设计的关键。基于散热的三种 机理，人们设计出诸多散热方式 以满足热设计的要求：①自然 散热，即通过散热壳体内部的热传导及与周围空气的热对流和 热辐射而进行的被动散热，这种散热方式可靠性高且成本低， 且通过添加外部翅片的方式可以显著提高自然散热的效率；② 强迫风冷，即装入风机带动空气流动，从而增大对流换热系数， 该方法可使传热能力提高一个数量级；③ 液体冷却，即在封闭 的空间内载入循环的冷却介质，该方法散热效率高，噪音低； ④相变冷却，即通过气体和液体之间的相转变进行热量传递， 系统复杂但传热效率高；⑤热管技术，即通过封闭空间内液体 及气体的循环流动进行的相变传热。
热辐射是指热量以电磁波的形式来进行传递，热辐射能传
递到物体表面后会被吸收或发射，且任何温度高于绝对零
度的物体都有发射或吸收电磁波的能力。 两物体间的辐
射能量传递量可通过斯蒂芬-玻尔兹曼方程计算得出：
r A (T14 T24 )
因此，辐射换热系数 hr可以表示为：
hr

r A(T1 T2 )
镁合金产品在电子及汽车领域的用量正在以 20%的速度增长。然而同铝合金相比， 镁合金 的研究和应用远远不够充分，存在的问题主要 有：镁合金很活泼，熔炼及铸造加工的难度大 成本高；镁合金的变形能力差，成型技术有待 发展；镁合金的耐腐蚀性能差，在许多场合应 用时都不能满足要求；镁合金的强度和塑性有 待进一步提高；镁合金的合金体系相对较少。
导热合金的研究背景
热量的传递现象(热传导，热对流及热辐射) 作为能量传递的基本方式渗透在工业应用 的各个领域。随着现代工业日新月异的发 展，对散热部件进行热管理开始 成为目前 面临解决的技术难题之一，而在电子、电 力、汽车制造及建筑等各领域表现得尤为 突出。
传热基本原理
传热是一个复杂的物理现象，根据传热原 理不同可以分为热传导，热对流及热辐射。 热量在物质内部传输的现象称为热传导， 即物质各组分之间不发生相对移动时，利 用分子、原子及自由电子等微观粒子的热 运动而产生的热量传递。比如，热量从物 体内部温度较高的位置传递到温度较低的 另一位置即为一种热传导现象。
x
示温度 t 在 x 方向上的变化率；
热对流是指流体(液体或气体)与固体表面 接触时，由流体内部热量或物质流动而引 起的与固体表面之间产生热交换的过程。 对流的强弱受到流体的物理性质， 流体的 流动状态，固体表面的形状及位置等因素 的影响。对流传热的能量密度可 用牛顿方 程来定义：
c hcA(T1 T2 )

A (T14 T24 )
A(T1 T2 )

(T14 T24 )
(T1 T2 )
其中，ε 为辐射面 1 外壁的发射率，σ 为玻尔兹曼常

数（5.669×10-8），T1 和 T2 分别辐射面 1 和辐射面 2 的表面温度，A 为辐射面 1 的表面积。
导热合金设计原理
由于导热方程与欧姆定律极其相似，人们
经合金化后，镁合金可以具备各种优异的综合性 能，同其他金属相比，主要包括有以下特点：密 度大概为铝合金的 2/3，钢铁的 1/4，强度明显 优于铝及钢铁，因此除可以减轻重量外还可以减 少焊接、组装等工序；阻尼及吸震性能优异， 可以明显的减震降噪；铸造性能好，由于镁及合 金的熔点较低，对应的熔体流动性能好，充型能 力强，因此可以铸造出薄壁件；切削性能优异， 镁的切削阻力较弱；工件的尺寸更容易控制；
热传导的原理可用傅立叶定律来描述，即在热传
导过程中，单位时间内通过给定截面的热量与垂
直于该截面上的温度变化率和截面面积成正比。
其数学表达式为：


-A
t
x
其中，φ表示热流量(W)； λ表示导热系数，即
表征材料导热性能优劣的参数(W/mK )；
A 表示垂直于热流方向的截面面积(m2)；t 表
金属热传导
——镁合金导热性能的研究
镁合金研究概况
进入二十一世纪以来，人类的可持续发展面临着 资源匮乏等严重问题，并且随着大规模生产的进 行和发展，传统金属材料(如钢铁，铝合金等)的 消耗量急剧增加。特别是随着环境的继续恶化， 发达国家加强了对汽车等运输设备尾气排放量 的 限制，促进了轻质合金的快速发展。镁合金作为 “21 世纪的绿色结构材料”，具备密度小、比刚 度高、良好的阻尼及电磁屏蔽性能、高的导热导 电系数以及环境友好性等许多特殊的优异性能， 得到了各个国家研究者们的极大关注。
c hcA(T1 T2 ) 其中 hc为对流换热系数(W/m2K· )，A 为固体
的散热表面积(m2)，T1 和 T2分别为散热固体 表面的平均绝对温度和流体的平均绝对温度， 可以看出，牛顿方程将对流传热的各种复杂的 影响因素全都归结于对流换热系数 hc 中。流 体的自然对流是由于流体内部受热不均，各部 分的流体密度自然不同，流体受热后密度降低 向上游动，而冷流体的密度大会向下沉底，从 而形成了一个对流循环系统。
镁合金的比热容较小，升温及凝固的速率 更快，因此生产的效率更高，大概比铝合 金高出 40%；特别的，镁合金的散热能力 强，结合镁合金优异的电磁屏蔽性能，特 别适合用作发出电磁波的电子产品的外壳 及散热器等部件，也适合用作计算机和手 机等设备的外壳；最后，镁合金具有良好 的环境友好性能，可以百分之百的回收利 用，不会对环境造成太大的负面影响。