Legeringen met hoge thermische geleidbaarheid

Overzicht van Legeringen met hoge thermische geleidbaarheid

Legeringen met een hoge thermische geleidbaarheid zijn een klasse materialen die zijn ontworpen om warmte efficiënt over te dragen. Deze legeringen zijn van cruciaal belang in verschillende industrieën, waaronder elektronica, auto's, luchtvaart en energieopwekking. Hun vermogen om warmte snel en effectief af te voeren garandeert de prestaties en levensduur van componenten en systemen.

Thermische geleidbaarheid meet het vermogen van een materiaal om warmte te geleiden. Legeringen met een hoge thermische geleidbaarheid zijn ontworpen om deze eigenschap te maximaliseren, waardoor ze onmisbaar zijn in toepassingen waar een efficiënte warmteafvoer cruciaal is.

Waarom zijn deze legeringen belangrijk? Stel je voor dat je computer oververhit raakt omdat hij de warmte die door de processor wordt gegenereerd niet kwijt kan. Legeringen met een hoge thermische geleidbaarheid lossen zulke problemen op door de warmte snel weg te voeren van gevoelige onderdelen, schade te voorkomen en optimale prestaties te behouden.

Types van Legeringen met hoge thermische geleidbaarheid

1. Koperlegeringen

Koper staat bekend om zijn uitstekende thermische geleidbaarheid. Wanneer het gelegeerd is met andere metalen, kan het verbeterde mechanische eigenschappen bieden met behoud van een hoog warmtegeleidingsvermogen.

Soorten en kenmerken:

Legeringstype	Samenstelling	Eigenschappen	Kenmerken
C11000	99,9% Koper	Hoge thermische en elektrische geleidbaarheid	Zacht, kneedbaar, uitstekend voor elektrische toepassingen
C17200	Koper-Beryllium	Hoge sterkte, goede thermische geleidbaarheid	Bestand tegen vermoeiing, geschikt voor veren en connectoren
C18200	Koper-chroom	Hoge hardheid, goede thermische geleidbaarheid	Gebruikt in laselektroden, bestand tegen slijtage en vervorming
C18150	Koper-chroom-zirkonium	Goede balans tussen sterkte en geleidbaarheid	Ideaal voor weerstandlassen, hoge duurzaamheid

2. Aluminiumlegeringen

Aluminium is een ander metaal met een goed warmtegeleidingsvermogen, dat vaak wordt gebruikt als gewichtsvermindering essentieel is.

Soorten en kenmerken:

Legeringstype	Samenstelling	Eigenschappen	Kenmerken
1050	99,5% Aluminium	Uitstekende thermische geleidbaarheid, zacht	Gebruikt in warmtewisselaars, goed vervormbaar
6061	Al-Mg-Si legering	Goede thermische geleidbaarheid, sterk, lasbaar	Gebruikelijk in luchtvaart- en automobieltoepassingen
7075	Al-Zn-Mg-Cu legering	Hoge sterkte, matig warmtegeleidingsvermogen	Geschikt voor toepassingen met hoge belasting

3. Zilverlegeringen

Zilver heeft de hoogste warmtegeleiding van alle metalen, maar het gebruik ervan is beperkt vanwege de kosten.

Soorten en kenmerken:

Legeringstype	Samenstelling	Eigenschappen	Kenmerken
Ag-Cu	Zilver-Koper	Extreem hoge thermische geleidbaarheid	Gebruikt in gespecialiseerde elektronica en systemen voor thermisch beheer
Ag-Pd	Zilver-Palladium	Hoge thermische geleidbaarheid, bestand tegen aanslag	Geschikt voor zeer betrouwbare elektrische contacten

4. Goudlegeringen

Goudlegeringen worden gebruikt in toepassingen die een hoge thermische geleidbaarheid en een uitstekende weerstand tegen corrosie vereisen.

Soorten en kenmerken:

Legeringstype	Samenstelling	Eigenschappen	Kenmerken
Au-Cu	Goud-Koper	Hoge thermische geleidbaarheid, corrosiebestendig	Gebruikt in hoogwaardige elektronica en ruimtevaarttoepassingen
Au-Ni	Goud-Nikkel	Goede thermische geleidbaarheid, verbeterde sterkte	Ideaal voor connectoren en contacten in ruwe omgevingen

5. Diamantcomposieten

Diamantcomposieten bieden een ongeëvenaard warmtegeleidingsvermogen, maar zijn duur en moeilijk te produceren.

Soorten en kenmerken:

Legeringstype	Samenstelling	Eigenschappen	Kenmerken
Cu-diamant	Koper-Diamant	Uitzonderlijk warmtegeleidingsvermogen	Gebruikt in krachtige laserdiodes en halfgeleiderapparaten
Al-Diamond	Aluminium-diamant	Hoge thermische geleidbaarheid, lichtgewicht	Ideaal voor ruimtevaarttoepassingen waarbij warmteafvoer vereist is

Toepassingen van Legeringen met hoge thermische geleidbaarheid

Legeringen met een hoge thermische geleidbaarheid worden in verschillende sectoren gebruikt om warmte efficiënt te beheren. Laten we enkele belangrijke toepassingen verkennen:

Sollicitatie	Legeringen gebruikt	Voordelen
Elektronica	C11000, 1050, Ag-Cu	Efficiënte warmteafvoer, waardoor oververhitting wordt voorkomen
Automobiel	6061, 7075, Cu-diamant	Verbetert de motorprestaties, verlengt de levensduur van onderdelen
Lucht- en ruimtevaart	Al-diamant, 7075, Au-Cu	Vermindert gewicht en beheerst warmte in omgevingen met hoge druk
Stroomopwekking	C18150, C18200, Al-Diamond	Verbetert de efficiëntie van turbines en generatoren
Medische apparaten	Ag-Pd, Au-Ni	Zorgt voor betrouwbaarheid en een lange levensduur van gevoelige instrumenten

Specificaties en normen voor legeringen met een hoog warmtegeleidingsvermogen

Inzicht in de specificaties en normen is cruciaal bij het kiezen van de juiste legering voor een toepassing.

Legeringstype	Standaard	Warmtegeleidingsvermogen (W/m-K)	Typische toepassingen
C11000	ASTM B152	385	Elektrische toepassingen, warmtewisselaars
6061	ASTM B221	167	Constructiedelen, koellichamen
7075	ASTM B209	130	Ruimtevaart, militaire toepassingen
Ag-Cu	ASTM B780	429	Hoogwaardige elektronica
Cu-diamant	Aangepast	>1000	Halfgeleiderapparaten met hoog vermogen

Leveranciers en prijsinformatie voor legeringen met een hoog warmtegeleidingsvermogen

Het kan een uitdaging zijn om betrouwbare leveranciers te vinden en inzicht te krijgen in de prijzen van deze gespecialiseerde materialen. Hier volgt een momentopname van enkele leveranciers en prijsklassen:

Leverancier	Aangeboden legeringstypes	Prijsklasse (per kg)
Materion	Cu-Be, Cu-Cr-Zr	$50 – $150
Kaiser Aluminium	1050, 6061, 7075	$5 – $50
Ames Goudsmid	Ag-Cu, Ag-Pd	$500 – $2000
Plansee	Cu-diamant, Al-diamant	Prijzen op maat

Voordelen en nadelen van Legeringen met hoge thermische geleidbaarheid

Bij het kiezen van legeringen met een hoge thermische geleidbaarheid is het belangrijk om de voordelen en beperkingen af te wegen:

Voordeel	Beschrijving
Hoog rendement	Uitstekende warmteafvoer
Duurzaamheid	Vaak gecombineerd met hoge sterkte en corrosiebestendigheid
Veelzijdigheid	Geschikt voor diverse toepassingen in verschillende industrieën

Nadeel	Beschrijving
Kosten	Hoogwaardige legeringen kunnen duur zijn
Complexiteit	Sommige legeringen vereisen gespecialiseerde productieprocessen

FAQ

Vraag	Antwoord
Wat is thermische geleidbaarheid?	Het is een maat voor het vermogen van een materiaal om warmte te geleiden.
Waarom zijn legeringen met een hoge thermische geleidbaarheid belangrijk?	Ze voeren warmte efficiënt af en voorkomen zo oververhitting in apparaten.
Welke metalen hebben de hoogste thermische geleidbaarheid?	Zilver, koper en goud behoren tot de topmetalen met een hoge thermische geleidbaarheid.
Kunnen aluminiumlegeringen worden gebruikt voor toepassingen met een hoog warmtegeleidingsvermogen?	Ja, vooral in situaties waarin ook gewichtsvermindering nodig is.
Welke industrieën profiteren van deze legeringen?	Elektronica, auto's, lucht- en ruimtevaart, energieopwekking en medische sectoren.

Conclusie

Legeringen met een hoge thermische geleidbaarheid spelen een cruciale rol in de moderne technologie en zorgen ervoor dat warmte effectief wordt beheerd in verschillende toepassingen. Van de zeer geleidende koperlegeringen tot de geavanceerde diamantcomposieten, deze materialen bieden unieke eigenschappen die voldoen aan de behoeften van verschillende industrieën. Of je nu een geavanceerd elektronisch apparaat ontwerpt of een krachtige automotor, het kiezen van de juiste legering kan het verschil maken in prestaties en betrouwbaarheid.

Inzicht in de soorten, eigenschappen, toepassingen en specificaties van deze legeringen stelt ingenieurs en ontwerpers in staat om weloverwogen beslissingen te nemen, wat uiteindelijk leidt tot betere en efficiëntere producten. Naarmate de technologie zich blijft ontwikkelen, zal de vraag naar legeringen met een hoge thermische geleidbaarheid alleen maar toenemen, wat hun belang onderstreept in onze wereld waarin warmte steeds meer centraal staat.

ken meer 3D-printprocessen

Veelgestelde vragen (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)	Dichtheid (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.

Meningen van experts

• 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