Čvrsti bakar je toplinska superautocesta, ali se širi poput koncertine kada se zagrije. U preciznoj više{1}}slojnoj ploči, ovo proširenje može je odvojiti od susjednih keramičkih ili silikonskih komponenti. Bakar-volfram (CuW) je konstruirani kompozit koji ukroćuje ovu divlju toplinsku ekspanziju ugrađujući krute volframove čestice niske-ekspanzije u meki, vodljivi bakar. Cijena ove dimenzionalne stabilnosti plaća se blagim smanjenjem sposobnosti materijala da brzo širi toplinu.
Osnove toplinske difuzije
Toplinska difuznost, brzina kojom se toplina širi kroz materijal, kritična je metrika u dizajnu ploče. Čisti bakar pokazuje vrlo visoku toplinsku difuziju, oko 115 mm²/s, što ga čini iznimno brzim u raspodjeli topline. U CuW kompozitu, s obično 20% do 40% volframa po volumenu, difuznost je proporcionalno niža-možda 70–90 mm²/s-jer volfram provodi toplinu manje učinkovito od bakra i povećava masu kompozita.
Volfram djeluje kao toplinsko i mehaničko sidro, usporava divlje širenje bakra i blago prigušuje njegov toplinski sprint, dok istovremeno zadržava dovoljno vodljivosti za učinkovito širenje topline.
Koeficijent toplinskog širenja i dimenzionalni sklad
Primarna prednost CuW kompozita leži u njegovom podesivom koeficijentu toplinske ekspanzije (CTE). CuW CTE se može projektirati između ~6,5 i ~9,0 ×10⁻⁶/ stupanj, u usporedbi s ~17 ×10⁻⁶/ stupanj čistog bakra. Ovo prilagođeno proširenje omogućuje kompozitnoj ploči da se približi CTE-u osjetljivih komponenti kao što su silikonske pločice ili keramičke podloge.
Proizvodnja se obično postiže infiltriranjem poroznog volframovog kostura rastaljenim bakrom, stvarajući metaluršku vezu koja kombinira bakreno provođenje topline s volframovom dimenzionalnom stabilnošću. Kompozit je stoga izborni materijal za-poluvodičke raspršivače topline velike snage i određene specijalizirane grijaće ploče kod kojih se o savršenom CTE podudaranju ne- može raspravljati. Inženjeri mijenjaju nešto od toplinskog sprinta bakra za apsolutni dimenzionalni sklad.
CuW kompozit u odnosu na toplinsku difuznost bakrene ploče
Usporedba CuW kompozita i toplinske difuzije bakrene ploče pokazuje klasični metalurški kompromis:
Čvrsti bakar:Visoka toplinska difuznost (~115 mm²/s), visok CTE (~17 ×10⁻⁶/ stupanj), brzo širenje topline, loše dimenzionalno podudaranje s keramikom i silikonom.
CuW kompozit:Umjerena toplinska difuznost (~70–90 mm²/s), nizak i prilagodljiv CTE (~6,5–9,0 ×10⁻⁶/ stupanj), nešto sporije širenje topline, izvrsno dimenzionalno podudaranje s osjetljivim materijalima.
Sadržaj volframa djeluje i kao toplinski i kao mehanički stabilizator, osiguravajući da ploča ostane ravna i predvidljiva pod visokim-temperaturnim ciklusima, dok i dalje pruža dovoljnu toplinsku izvedbu za zahtjevne primjene.
Zaključak
CuW kompozitna ploča je remek-djelo metalurškog kompromisa. Žrtvuje nešto od brze toplinske difuzije bakra kako bi se postigla nepopustljiva dimenzionalna stabilnost volframa, stvarajući skladnu toplinsku platformu za osjetljive podloge. U primjenama preciznog grijanja, najbolja izvedba nije uvijek u maksimalnoj brzini-već u savršenoj usklađenosti s toplinskim i mehaničkim zahtjevima radnog komada.
