Slitiny s vysokou tepelnou vodivostí

Přehled o Slitiny s vysokou tepelnou vodivostí

Slitiny s vysokou tepelnou vodivostí jsou třídou materiálů určených k účinnému přenosu tepla. Tyto slitiny mají zásadní význam v různých průmyslových odvětvích, včetně elektroniky, automobilového a leteckého průmyslu a výroby energie. Jejich schopnost rychle a účinně odvádět teplo zajišťuje výkon a dlouhou životnost součástí a systémů.

Tepelná vodivost měří schopnost materiálu vést teplo. Slitiny s vysokou tepelnou vodivostí jsou konstruovány tak, aby tuto vlastnost maximalizovaly, a jsou tak nepostradatelné v aplikacích, kde je rozhodující účinný odvod tepla.

Proč jsou tyto slitiny důležité? Představte si, že se váš počítač přehřívá, protože se nemůže zbavit tepla, které generuje jeho procesor. Slitiny s vysokou tepelnou vodivostí takové problémy řeší tím, že rychle odvádějí teplo od citlivých součástí, čímž zabraňují jejich poškození a udržují optimální výkon.

Typy Slitiny s vysokou tepelnou vodivostí

1. Slitiny mědi

Měď je známá svou vynikající tepelnou vodivostí. Při legování s jinými kovy může nabídnout lepší mechanické vlastnosti při zachování vysoké tepelné vodivosti.

Typy a charakteristiky:

Typ slitiny	Složení	Vlastnosti	Charakteristika
C11000	99.9% Měď	Vysoká tepelná a elektrická vodivost	Měkké, tvárné, vynikající pro elektrotechnické aplikace
C17200	Měď a berylium	Vysoká pevnost, dobrá tepelná vodivost	Odolné proti únavě, vhodné pro pružiny a konektory
C18200	Měď-chrom	Vysoká tvrdost, dobrá tepelná vodivost	Používá se ve svařovacích elektrodách, odolných proti opotřebení a deformaci.
C18150	Měď-chrom-zirkonium	Dobrá rovnováha mezi pevností a vodivostí	Ideální pro odporové svařování, vysoká odolnost

2. Slitiny hliníku

Dalším kovem s dobrou tepelnou vodivostí je hliník, který se často používá v případech, kdy je nutné snížit hmotnost.

Typy a charakteristiky:

Typ slitiny	Složení	Vlastnosti	Charakteristika
1050	99.5% Hliník	Vynikající tepelná vodivost, měkký	Používá se ve výměnících tepla, dobrá tvařitelnost
6061	Slitina Al-Mg-Si	Dobrá tepelná vodivost, pevný, svařitelný	Běžně se používá v leteckém a automobilovém průmyslu
7075	Slitina Al-Zn-Mg-Cu	Vysoká pevnost, střední tepelná vodivost	Vhodné pro vysoce namáhané aplikace

3. Slitiny stříbra

Stříbro má nejvyšší tepelnou vodivost mezi kovy, ale jeho použití je omezené kvůli ceně.

Typy a charakteristiky:

Typ slitiny	Složení	Vlastnosti	Charakteristika
Ag-Cu	Stříbro a měď	Extrémně vysoká tepelná vodivost	Používá se ve specializované elektronice a systémech tepelného managementu
Ag-Pd	Stříbro a paladium	Vysoká tepelná vodivost, odolnost proti dehtu	Vhodné pro vysoce spolehlivé elektrické kontakty

4. Slitiny zlata

Slitiny zlata se používají v aplikacích vyžadujících vysokou tepelnou vodivost a vynikající odolnost proti korozi.

Typy a charakteristiky:

Typ slitiny	Složení	Vlastnosti	Charakteristika
Au-Cu	Zlato-měď	Vysoká tepelná vodivost, odolnost proti korozi	Používá se ve špičkové elektronice, v letectví a kosmonautice.
Au-Ni	Zlato-nikl	Dobrá tepelná vodivost, zvýšená pevnost	Ideální pro konektory a kontakty v drsných prostředích

5. Diamantové kompozity

Diamantové kompozity mají jedinečnou tepelnou vodivost, jejich výroba je však nákladná a náročná.

Typy a charakteristiky:

Typ slitiny	Složení	Vlastnosti	Charakteristika
Cu-Diamond	Měď a diamant	Výjimečná tepelná vodivost	Používá se ve výkonných laserových diodách a polovodičových zařízeních.
Al-Diamond	Hliníkovo-diamantové	Vysoká tepelná vodivost, nízká hmotnost	Ideální pro aplikace v letectví a kosmonautice, které vyžadují odvod tepla.

Aplikace z Slitiny s vysokou tepelnou vodivostí

Slitiny s vysokou tepelnou vodivostí se používají v různých odvětvích k efektivnímu hospodaření s teplem. Podívejme se na některé klíčové aplikace:

aplikace	Použité slitiny	Výhody
Elektronika	C11000, 1050, Ag-Cu	Účinný odvod tepla, který zabraňuje přehřátí
Automobilový průmysl	6061, 7075, Cu-Diamant	Zvyšuje výkon motoru, prodlužuje životnost součástí
Aerospace	Al-Diamond, 7075, Au-Cu	Snižuje hmotnost a zároveň zvládá teplo ve vysoce namáhaných prostředích.
Výroba elektřiny	C18150, C18200, Al-Diamond	Zvyšuje účinnost turbín a generátorů
Lékařské přístroje	Ag-Pd, Au-Ni	Zajišťuje spolehlivost a dlouhou životnost citlivých přístrojů.

Specifikace a normy pro slitiny s vysokou tepelnou vodivostí

Při výběru správné slitiny pro danou aplikaci je zásadní porozumět specifikacím a normám.

Typ slitiny	Standard	Tepelná vodivost (W/m-K)	Typická použití
C11000	ASTM B152	385	Elektrické aplikace, výměníky tepla
6061	ASTM B221	167	Konstrukční prvky, chladiče
7075	ASTM B209	130	Letectví a kosmonautika, vojenské aplikace
Ag-Cu	ASTM B780	429	Vysoce výkonná elektronika
Cu-Diamond	Vlastní	>1000	Vysoce výkonné polovodičové součástky

Dodavatelé a podrobnosti o cenách slitin s vysokou tepelnou vodivostí

Najít spolehlivé dodavatele a porozumět cenám těchto specializovaných materiálů může být náročné. Zde je přehled některých dodavatelů a cenových rozpětí:

Dodavatel	Nabízené typy slitin	Cenové rozpětí (za kg)
Materion	Cu-Be, Cu-Cr-Zr	$50 – $150
Kaiser Aluminium	1050, 6061, 7075	$5 – $50
Ames Goldsmith	Ag-Cu, Ag-Pd	$500 – $2000
Plansee	Cu-diamant, Al-diamant	Vlastní ceny

Výhody a nevýhody Slitiny s vysokou tepelnou vodivostí

Při výběru slitin s vysokou tepelnou vodivostí je důležité zvážit jejich výhody a omezení:

Výhoda	Popis
Vysoká účinnost	Vynikající schopnost odvádět teplo
Odolnost	Často v kombinaci s vysokou pevností a odolností proti korozi.
Všestrannost	Vhodné pro různé aplikace v různých odvětvích

Nevýhoda	Popis
Náklady	Vysoce výkonné slitiny mohou být drahé
Složitost	Některé slitiny vyžadují specializované výrobní postupy

FAQ

Otázka	Odpovědět
Co je to tepelná vodivost?	Je to míra schopnosti materiálu vést teplo.
Proč jsou důležité slitiny s vysokou tepelnou vodivostí?	Účinně přenášejí teplo a zabraňují tak přehřívání zařízení.
Které kovy mají nejvyšší tepelnou vodivost?	Stříbro, měď a zlato patří mezi kovy s vysokou tepelnou vodivostí.
Lze slitiny hliníku použít pro aplikace s vysokou tepelnou vodivostí?	Ano, zejména v situacích, kdy je třeba snížit hmotnost.
Pro jaká odvětví jsou tyto slitiny výhodné?	Elektronika, automobilový a letecký průmysl, energetika a zdravotnictví.

Závěr

Slitiny s vysokou tepelnou vodivostí hrají v moderních technologiích klíčovou roli a zajišťují efektivní hospodaření s teplem v různých aplikacích. Od vysoce vodivých slitin mědi až po pokročilé diamantové kompozity - tyto materiály nabízejí jedinečné vlastnosti, které vyhovují potřebám různých průmyslových odvětví. Ať už navrhujete špičkové elektronické zařízení nebo vysoce výkonný automobilový motor, výběr správné slitiny může mít zásadní vliv na výkon a spolehlivost.

Porozumění typům, vlastnostem, aplikacím a specifikacím těchto slitin umožňuje konstruktérům a návrhářům přijímat informovaná rozhodnutí, což v konečném důsledku vede k lepším a efektivnějším výrobkům. S dalším technologickým pokrokem bude poptávka po slitinách s vysokou tepelnou vodivostí jen růst, což podtrhuje jejich význam v našem světě, který se stále více orientuje na tepelnou energii.

znát více procesů 3D tisku

Často kladené otázky (FAQ)

1) How do I choose between copper- and aluminum-based High Thermal Conductivity Alloys?

• Use copper or Cu-alloys when maximum thermal conductivity and current-carrying capacity are critical. Choose aluminum alloys when weight, cost, and machinability dominate, accepting lower conductivity.

2) What is thermal conductivity vs. thermal diffusivity, and why does it matter?

• Conductivity (W/m·K) measures heat-carrying capacity; diffusivity (α = k/ρCp, mm²/s) measures how fast temperature equalizes. For transient hotspots, high diffusivity materials (e.g., diamond composites, CuCrZr) spread heat faster.

3) How do Cu-Cr-Zr and Cu-Be compare for heat sinks and tooling?

• CuCrZr offers a strong strength–conductivity balance and is RoHS-friendly; CuBe can reach higher strength but requires strict beryllium safety controls. For most thermal tooling, CuCrZr is preferred today.

4) Are metal–diamond composites practical for production?

• They deliver ultra-high thermal conductivity (>600–1,000 W/m·K) with low CTE but require specialized processing, precise interface control, and are costlier. They’re justified in high-power electronics and laser packages.

5) Which standards should I cite when specifying High Thermal Conductivity Alloys?

• Use ASTM/EN material forms (e.g., ASTM B152 for Cu sheet, ASTM B224 definitions), thermal testing standards like ASTM E1461 (laser flash diffusivity) and ASTM E1225 (steady-state conductivity), and IPC-2152 for PCB thermal design context.

2025 Industry Trends

• Copper alloy optimization: CuCrZr and CuAg microalloying tuned for higher conductivity at elevated temperatures in e-mobility busbars and welding tooling.
• SiC/diamond metal-matrix composites: Better interfacial engineering (carbide-forming coatings) improves reliability in wide-bandgap (SiC/GaN) power modules.
• Additive manufacturing: LPBF parameters for high-conductivity Cu (with green/blue lasers) now routinely achieve >90% IACS after HIP/anneal; conformal cooling inserts reduce cycle times.
• Eco and compliance: Shift away from Be-containing grades in general industry; supplier EPDs and recyclability claims influence sourcing.
• Design digitalization: Wider use of compact thermal models (CTMs) and validated material property datasets across temperature for system-level simulation.

2025 Snapshot: High Thermal Conductivity Alloys KPIs

Material/System	Room-Temp Thermal Conductivity (W/m·K)	Hustota (g/cm³)	Notes/Typical Use
OFHC Copper (C10100)	390–400	8.94	Up to ~100% IACS; premium purity
CuCrZr (C18150)	320–360	8.85	Good strength + conductivity; welding electrodes, tooling
CuAg (C10700)	360–390	8.95	Elevated-temp conductivity retention
Al 1050	220–230	2.70	Low strength; heat exchangers
AlSiC MMC	180–220	2.9–3.0	Tailored CTE for power substrates
Ag-Cu (hard-drawn)	420–430	10.2	High-end thermal/electrical contacts
Cu–Diamond (MMC)	600–1,100+	5.0–6.0	Interface-engineered; laser/power electronics
Al–Diamond (MMC)	400–700	3.2–3.5	Lightweight high-k for aerospace electronics

Authoritative sources:

• ASM Handbook, Vol. 2: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Special-Purpose Materials: https://www.asminternational.org
• ASTM E1461 (thermal diffusivity), ASTM E1225 (thermal conductivity): https://www.astm.org
• NIST Material Measurement Laboratory data sets: https://www.nist.gov
• IPC-2152 (thermal management for PCBs): https://www.ipc.org
• Plansee and Materion technical datasheets for MMCs and Cu-alloys

Latest Research Cases

Case Study 1: CuCrZr Conformal-Cooling Inserts via LPBF for Injection Molds (2025)

• Background: A consumer electronics molder needed cycle-time reduction without sacrificing part dimensional stability.
• Solution: Printed CuCrZr inserts with conformal channels using green-laser LPBF; HIP + aging; applied diamond-like carbon on flow surfaces for wear.
• Results: Cycle time −21%; measured conductivity 335 W/m·K; part warpage −15%; insert life equal to beryllium copper baseline without Be exposure concerns.

Case Study 2: Al–Diamond Baseplates for SiC Inverter Modules (2024/2025)

• Background: An EV Tier-1 sought cooler junction temperatures at peak loads in compact inverters.
• Solution: Deployed Al–Diamond MMC baseplates with TiC-interlayer particles for improved interface; vacuum-brazed to DBC substrates; validated with power cycling.
• Results: Thermal resistance −18% vs. AlSiC; peak junction temperature −12°C at 2.5× overload; passed 10k power cycles with <5% thermal impedance drift.

Názory odborníků

• Prof. Ravi Prasher, Adjunct Professor (UC Berkeley), former VP Thermals at a leading semiconductor company
• Viewpoint: “System-level thermal performance depends as much on interface resistance and geometry as bulk conductivity—optimize both, especially in high heat-flux designs.”
• Dr. Sophia Chen, Senior Materials Scientist, Materion
• Viewpoint: “Modern CuCrZr and CuAg grades deliver robust, RoHS-friendly thermal solutions that retain conductivity at temperature, displacing legacy beryllium copper in many tools.”
• Dr. Thomas E. Beechem, Associate Professor of Mechanical Engineering, Purdue University
• Viewpoint: “Metal–diamond composites are maturing—reliable interfaces and matched CTEs are enabling deployment in high-power GaN/SiC modules where traditional metals fall short.”

Practical Tools/Resources

• Property databases: NIST ThermoData Engine; MatWeb; ASM Materials Platform
• Testing labs/methods: Laser flash (ASTM E1461) for diffusivity; steady-state (ASTM E1225) for k; TIM thermal resistance testing (ASTM D5470)
• Simulation: Ansys Icepak, Siemens Simcenter, COMSOL Multiphysics for conjugate heat transfer; compact thermal model extraction
• Supplier datasheets: Materion (CuCrZr, CuAg), Plansee (metal–diamond MMCs), Kaiser (aluminum alloys)
• Design guides: IPC-2152 for PCB thermal design; JEDEC JESD51 series for device/package thermal characterization

Implementation tips:

• Specify thermal conductivity vs. temperature curves (not just room-temp values) and maximum allowable interfacial thermal resistance.
• Consider diffusivity (k/ρCp) for transient hotspots; pair with low-CTE substrates where alignment/tolerance is critical.
• For AM copper alloys, require post-build HIP/anneal and validate ≥90% IACS where electrical and thermal performance are both critical.
• Evaluate total thermal path: include TIMs, surface flatness, clamping pressure, and finish to minimize contact resistance.

Last updated: 2025-10-13
Changelog: Added 5-question FAQ, 2025 KPI table with comparative k-values and densities, two recent case studies (LPBF CuCrZr inserts and Al–Diamond baseplates), expert viewpoints, and practical tools/resources with implementation tips for High Thermal Conductivity Alloys
Next review date & triggers: 2026-04-20 or earlier if new ASTM thermal test revisions publish, major supplier datasheets update conductivity vs. temperature, or metal–diamond MMC reliability data significantly changes