導熱率是表示材料熱傳導能力大小的物理量。導熱率高的材料可以有效傳遞熱量,並且很容易從周圍環境中吸收熱量。導熱率低的材料會抑制熱流動,從周圍環境中獲得熱量的速度也很慢。按照S.I(國際單位制)的指導方針,材料導熱率的測量單位是瓦特每米每開氏度(W/m-K)。
下文簡要介紹了人們測得的導熱率最高的十種材料及其數值。根據所使用的設備和獲得測量結果的環境不同,導熱率存在變化,因此這些導熱率值均為平均值。
導熱材料
金剛石 – 2000 – 2200 W/m•K
金剛石是首屈一指的導熱材料,其導熱率值比美國生產量最高的金屬 — 銅高5倍。金剛石原子由一個簡單的碳架組成,是有效傳熱的理想分子結構。通常,一種材料的化學成分和分子結構越簡單,其導熱率值就越高。
金剛石是許多現代手持電子裝置的重要原料。電子產品中使用金剛石來提高散熱效果並保護敏感的電腦部件。事實證明,金剛石的高導熱率還能用來檢驗珠寶寶石的真偽。在模具和工藝中加入少量金剛石,可以對導熱效能產生巨大影響。
銀 – 429 W/m•K
銀是一種相對廉價而豐富的導熱材料。銀是眾多電器的原材料,因其可鍛性強而成為用途最廣泛的金屬之一。美國出產的銀有35%用於電氣工具和電子產品(美國地質調查局《礦產品概要2013》)。做為銀的副產品,銀膠可以用於生產環保的能源替代品,因此其需求日益旺盛。銀膠是生產光伏電池的原料,而光伏電池是太陽能電池板的主要組成部分。
銅 – 398 W/m•K
在美國,銅是生產導熱製品的最常用金屬。銅的熔點較高,腐蝕率中等。銅還能有效地最大限度減少傳熱過程中的能量損失。金屬盤、熱水管和汽車散熱器等製品都充分利用了銅的導熱效能。
金 – 315 W/m•K
金是一種稀有而昂貴的金屬,只在特定的導熱場合使用。與銀和銅不同,金很少變色,可以承受經歷大量腐蝕的條件。
氮化鋁 – 310 W/m•K
人們常常將氮化鋁用做氧化鈹的替代品。與氧化鈹不同的是,氮化鋁在加工時不會危害健康,且仍具備類似於氧化鈹的化學和物理特性。氮化鋁是少數已知能夠提供電絕緣和高導熱率的材料之一。氮化鋁具有出色的抗熱震性,並在機械晶片中充當電絕緣體。
碳化矽 – 270 W/m•K
碳化矽是一種半導體材料,由矽和碳原子的平衡混合物組成。當矽和碳一起加工並熔合時,會互相結合,形成一種極其堅硬且耐用的材料。人們常常將這種混合物用做汽車剎車、渦輪機和鋼混料的組成部分。
鋁 – 247 W/m•K
鋁常被用做銅的替代品,其成本效益很高。儘管鋁的導熱效能不如銅,但數量豐富,而且由於熔點低,十分易於加工。鋁是製造LED燈(發光二極體)的一種重要原料。銅鋁混合物兼具銅和鋁的特性,而且生產成本低,因此日益受到歡迎。
鎢 – 173 W/m•K
鎢的熔點高,蒸氣壓低,因而是製造高電壓器具的理想材料。鎢具備化學惰性,能夠在不改變電流的情況下用於電子顯微鏡中的電極。鎢也經常被人們用在燈泡中,並用做陰極射線管的原材料。
石墨 168 W/m•K
與其他碳同位素相比,石墨是一種數量豐富、成本低廉而又輕質化的替代品。人們經常將石墨用做聚合物混合物的添加劑,以提高其導熱效能。電池就是一種人們熟悉的石墨製品,它充分利用了石墨的高導熱率。
鋅 116 W/m•K
只有少數幾種金屬可以輕易地與其他金屬結合,形成金屬合金(兩種或兩種以上金屬的混合物),鋅便是其中一種。在美國,20%的鋅製品是由鋅合金組成的。鍍鋅使用了40%的人造純鋅。鍍鋅是在鋼或鐵上塗敷鋅層的工藝,作用是保護金屬不受風化和生鏽。
參考文獻
Mokhena, T. C.、Mochane, M. J.、Sefadi, J. S.、Motloung, S. V.和Andala, D. M. (2018)。石墨基聚合物複合材料的導熱率。導熱率對能源技術的影響。 doi:10.5772/intechopen.75676
氮化鋁。 (n.d.)。摘自 https://precision-ceramics.com/materials/aluminum-nitride/
Thermtest材料資料庫。https://thermtest.com/materials-database
作者:Thermtest公司初級技術撰稿人Kallista Wilson
下文簡要介紹了人們測得的導熱率最高的十種材料及其數值。根據所使用的設備和獲得測量結果的環境不同,導熱率存在變化,因此這些導熱率值均為平均值。