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Perché la lega di alluminio è diventata il materiale di prima scelta per piastre e radiatori di raffreddamento a liquido: analisi del principio di conduttività termica della lega di alluminio
2024.11.19 tony.liu@walmate.com

Le leghe di alluminio sono una delle categorie di materiali strutturali metallici non ferrosi più diffuse nell'industria, soprattutto in contesti in cui le prestazioni di conducibilità termica sono cruciali.  In applicazioni che richiedono un'elevata efficienza di trasferimento del calore, come nel raffreddamento di dispositivi elettronici, nel raffreddamento dei sistemi di potenza (powertrain) di veicoli elettrici, nel raffreddamento di sistemi di accumulo di energia a batteria e nel settore aerospaziale, vengono comunemente utilizzate per la fabbricazione di dissipatori di calore, piastre di conduzione termica e componenti elettronici ad alta efficienza di trasmissione del calore.

La conduttività termica, detta anche conduttività termica, è un indice di parametro che caratterizza la conduttività termica dei materiali. Indica la conduzione del calore per unità di tempo, area unitaria e gradiente di temperatura negativo. L'unità è W/m·K o W/m·℃. La lega di alluminio è un materiale di lega composto da alluminio e altri metalli. La sua conduttività termica è molto eccellente e il coefficiente di conduttività termica è solitamente compreso tra 140-200 W/(m·K). Essendo il metallo con il contenuto più elevato nella crosta terrestre, l'alluminio ha un coefficiente di conduttività termica relativamente basso. È favorito per la sua elevata altezza, bassa densità e basso prezzo.


1-Principio di conduttività termica dei materiali in lega di alluminio

Quando c'è una differenza di temperatura tra aree adiacenti di un materiale, il calore fluirà dall'area ad alta temperatura all'area a bassa temperatura attraverso la parte di contatto, con conseguente conduzione del calore. C'è un gran numero di elettroni liberi nei materiali metallici. Gli elettroni liberi possono muoversi rapidamente nel metallo e possono trasferire rapidamente il calore. La vibrazione reticolare è un altro modo di trasferimento del calore del metallo, ma passa in secondo piano rispetto al metodo di trasferimento degli elettroni liberi.

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Confronto dei metodi di conduzione del calore tra metalli e non metalli


2-Confronto dei metodi di conduzione del calore tra metalli e non metalli

a.La lega è uno dei principali fattori che influenzano la conduttività termica. Gli elementi di lega esistono sotto forma di atomi di soluzione solida, fasi precipitate e fasi intermedie. Queste forme porteranno difetti cristallini, come lacune, dislocazioni e distorsione del reticolo. Questi difetti aumenteranno la probabilità di dispersione di elettroni, con conseguente riduzione del numero di elettroni liberi, riducendo così la conduttività termica delle leghe. Diversi elementi di lega producono diversi gradi di distorsione del reticolo sulla matrice di Al e hanno effetti diversi sulla conduttività termica. Questa differenza è il risultato di molteplici fattori come la valenza degli elementi di lega, le differenze di volume atomico, la disposizione degli elettroni extranucleari e il tipo di reazione di solidificazione.

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b.Il trattamento termico è una fase molto importante nella lavorazione delle leghe di alluminio. Modificando la microstruttura e la trasformazione di fase delle leghe di alluminio, la sua conduttività termica può essere significativamente influenzata. Il trattamento in soluzione solida consiste nel riscaldare la lega di alluminio a una certa temperatura per sciogliere completamente gli atomi di soluto nella matrice, quindi raffreddarla rapidamente per ottenere una soluzione solida uniforme. Questo trattamento migliora le proprietà meccaniche del materiale ma solitamente ne riduce la conduttività termica. Il trattamento di invecchiamento avviene tramite un'adeguata deformazione a freddo e un nuovo riscaldamento dopo il trattamento in soluzione solida, che può ottimizzare la microstruttura della lega e migliorarne le prestazioni complessive. Il trattamento di invecchiamento tiene conto delle proprietà meccaniche e della conduttività termica della lega, in modo che la lega mantenga un'elevata resistenza pur avendo anche una buona conduttività termica. La ricottura migliora la microstruttura della lega mantenendola a una temperatura più bassa per precipitare e ridistribuire la seconda fase nella lega. Il trattamento di ricottura può migliorare la plasticità e la tenacità delle leghe di alluminio, ma l'effetto sulla conduttività termica varia a seconda della situazione specifica.

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Diagramma schematico dei cambiamenti della struttura cristallina durante il processo di invecchiamento della lega Al-Cu


c.Altri fattori influenzano le impurità e le particelle della seconda fase: le impurità e le particelle della seconda fase (come ossidi, carburi, ecc.) nelle leghe di alluminio possono disperdere i portatori caldi (elettroni e fononi), riducendo così la conduttività termica. Maggiore è il contenuto di impurità, più grossolane sono le particelle della seconda fase e generalmente minore è la conduttività termica. Anche la dimensione dei grani delle leghe di alluminio influisce sulla conduttività termica. In generale, quanto più piccola è la dimensione dei grani, tanto maggiori sono i bordi dei grani e tanto minore è la conduttività termica. Inoltre, il metodo di lavorazione della lega di alluminio (come laminazione, estrusione, forgiatura, ecc.) ne influenzerà la microstruttura e lo stato di tensione residua, influenzando così la conduttività termica. L'incrudimento e le tensioni residue riducono la conduttività termica.

In sintesi, la lega di alluminio è una scelta ideale per materiali ad alta conduttività termica. Fattori come il tipo di elementi di lega nelle leghe di alluminio e le loro forme, metodi di trattamento termico, impurità, granulometria e metodi di stampaggio influenzeranno tutti la conduttività termica dei materiali in lega di alluminio. Si dovrebbero prendere in considerazione considerazioni complete quando si progetta la composizione del materiale e la pianificazione del processo.


Condivideremo regolarmente aggiornamenti e informazioni su tecniche di progettazione termica e alleggerimento, per la vostra consultazione. Grazie per l'interesse verso Walmate.