アルミニウム合金は、業界で最も広く使用されている非鉄金属構造材料であり、特に材料の熱伝導率が大きな懸念事項となるシナリオや、電子機器の放熱、電気自動車の三電源放熱、バッテリーエネルギー貯蔵システムなど、効率的な熱伝導が求められる状況で使用されています。放熱と航空宇宙の分野では、通常、ラジエーター、熱伝導プレート、電子部品などの効率的な熱伝達装置の製造に使用されます。

熱伝導率は、熱伝導率とも呼ばれ、材料の熱伝導率を特徴付けるパラメータ指標です。単位時間、単位面積、および負の温度勾配あたりの熱伝導を示します。単位はW/m·KまたはW/m·℃です。アルミニウム合金は、アルミニウムと他の金属で構成される合金材料です。その熱伝導率は非常に優れており、熱伝導係数は通常140〜200W /（m·K）です。地殻に最も多く含まれる金属であるアルミニウムは、熱伝導率が比較的低く、高さが高く、密度が低く、価格が安いため好まれています。

1-アルミニウム合金材料の熱伝導原理

材料の隣接領域に温度差がある場合、接触部分を通じて高温領域から低温領域に熱が流れ、熱伝導が発生します。金属材料には多数の自由電子があります。自由電子は金属内を高速で移動できるため、熱をすばやく伝達できます。格子振動は金属の熱伝達のもう1つの方法ですが、自由電子伝達方法と比較すると後回しにされます。

金属と非金属の熱伝導方法の比較

2-アルミニウム合金の熱伝導率に影響を与える要因

a.合金化は熱伝導率に影響を与える主な要因の 1 つです。合金元素は固溶体原子、析出相、中間相の形で存在します。これらの形態は、空孔、転位、格子歪みなどの結晶欠陥をもたらします。これらの欠陥により、電子散乱の確率が高まり、自由電子の数が減少し、合金の熱伝導率が低下します。異なる合金元素は、Al マトリックスに異なる程度の格子歪みを生じさせ、熱伝導率に異なる影響を及ぼします。この違いは、合金元素の価数、原子体積の違い、核外電子配置、凝固反応の種類など、複数の要因の結果です。

b.熱処理は、アルミニウム合金の加工において非常に重要なステップです。アルミニウム合金の微細構造と相変態を変えることで、その熱伝導率に大きな影響を与えることができます。固溶体処理は、アルミニウム合金を特定の温度に加熱してマトリックス内の溶質原子を完全に溶解し、その後急速に冷却して均一な固溶体を得ることです。この処理により、材料の機械的特性が向上しますが、通常、熱伝導率は低下します。時効処理は、固溶体処理後の適切な冷間変形と再加熱によって行われ、合金の微細構造を最適化し、全体的な性能を向上させることができます。時効処理では、合金の機械的特性と熱伝導率を考慮しているため、合金は高い強度を維持しながら、優れた熱伝導率も備えています。アニーリングは、合金を低温に維持して合金内の第2相を析出させて再分配することにより、合金の微細構造を改善します。アニーリング処理は、アルミニウム合金の可塑性と靭性を向上させることができますが、熱伝導率への影響は具体的な状況によって異なります。

Al-Cu合金の老化過程における結晶構造変化の模式図

c.その他の要因の影響、不純物、第2相粒子：アルミニウム合金中の不純物と第2相粒子（酸化物、炭化物など）は、ホットキャリア（電子とフォノン）を散乱させ、熱伝導率を低下させます。不純物含有量が多いほど、第2相粒子は粗くなり、一般的に熱伝導率が低くなります。アルミニウム合金の粒径も熱伝導率に影響します。一般的に、粒径が小さいほど、粒界が多くなり、熱伝導率が低くなります。また、アルミニウム合金の加工方法（圧延、押し出し、鍛造など）は、その微細構造と残留応力状態に影響を与え、それによって熱伝導率に影響します。加工硬化と残留応力は熱伝導率を低下させます。

要約すると、アルミニウム合金は高熱伝導性材料として理想的な選択肢です。アルミニウム合金の合金元素の種類とその形状、熱処理方法、不純物、結晶粒度、成形方法などの要因はすべて、アルミニウム合金材料の熱伝導性に影響します。材料組成とプロセス計画を設計する際には、総合的な考慮が必要です。

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