Condutividade térmica do alumínio: dados da liga, efeitos da têmpera e por que é importante

Um ponto de partida prático: a condutividade térmica do alumínio

Se você estiver especificando um dissipador de calor de alumínio para um conversor de energia, um driver de LED ou um conjunto de aquecedor, um número geralmente aparece primeiro: a condutividade térmica do alumínio. Alumínio puro fica próximo 237 W/m·K , mas a liga extrudada no seu desenho quase certamente será menor. Essa diferença não é um detalhe de laboratório; altera a espessura da aleta, a área da placa de base e o custo da montagem.

Para a maioria das peças extrudadas de dissipação de calor, 6063-T5 e 6061-T6 são as opções padrão. 6063-T5 oferece cerca de 209 W/m·K, enquanto 6061-T6 está mais próximo de 167 W/m·K. Essa lacuna de 42 W/m·K determina quantas aletas você precisa e com que rapidez a peça afasta o calor da fonte.

O cobre conduz o calor muito melhor, mas o alumínio continua sendo a escolha prática para muitos dissipadores de calor, perfis de aquecedores e peças estruturais porque pesa cerca de um terço do cobre e custa menos por peça. Quando você compara o desempenho térmico por quilograma, o alumínio é difícil de superar.

Quais medidas de condutividade térmica e por que as unidades são importantes

A condutividade térmica (k) quantifica a rapidez com que o calor flui através de um material sob um gradiente de temperatura. Expresso em watts por metro-kelvin (W/m·K), informa quantos watts passam através de um cubo de 1 m quando uma face é 1 K mais quente que a face oposta. Um k mais alto significa menor resistência interna ao fluxo de calor.

Como é medido

Para produtos de alumínio a granel, os fabricantes usam métodos como a técnica de flash a laser para amostras pequenas e métodos de placa quente protegida ou medidor de fluxo de calor para seções maiores. A medição da temperatura é importante porque a condutividade do alumínio diminui à medida que a temperatura sobe acima da temperatura ambiente. Uma folha de dados que reporte apenas um número pode não refletir sua faixa operacional real.

O que a faixa de condutividade do alumínio significa na prática

Um valor como 167 W/m·K parece abstrato até você comparar uma extrusão de 100 mm de comprimento com uma seção transversal de 1000 mm². A uma diferença de temperatura de 20 K, essa peça conduz aproximadamente 33 W se for feita de 6061-T6 e cerca de 42 W se for feita de 6063-T5. Em um dissipador de calor real, essa diferença se traduz em aletas mais curtas, menor resistência ao fluxo de ar ou um envelope geral menor.

Condutividade Térmica de Ligas de Alumínio: Valores Típicos

O alumínio puro tem a maior condutividade da família do alumínio, mas o metal puro é muito macio para a maioria dos perfis estruturais e de dissipação de calor. Elementos de liga como silício, magnésio, cobre e zinco dispersam elétrons e reduzem a condutividade. O tratamento térmico então reorganiza esses elementos em partículas, razão pela qual a mesma liga pode apresentar k diferentes em diferentes têmperas.

Por que 6063-T5 e 6061-T6 dominam os dissipadores de calor extrudados

6063 é frequentemente chamada de liga de extrusão porque combina boa qualidade de superfície, resistência moderada e têmpera T5 de alta condutividade. O 6061 é mais resistente e fácil de usinar, mas sua condutividade é menor. Quando o projeto precisa de aletas mais uma placa de montagem, o 6063-T5 geralmente oferece melhor desempenho térmico com o mesmo peso. 6061-T6 faz sentido quando a peça também suporta cargas mecânicas. Um perfil de extrusão de alumínio personalizado pode ser moldado para usar os pontos fortes de cada liga, mantendo baixa a resistência térmica.

O tratamento de superfície altera ligeiramente a imagem. Os revestimentos anodizados melhoram a resistência ao desgaste e à corrosão, mas a própria camada de óxido tem baixa condutividade. Em finas camadas anodizadas, a resistência térmica adicionada é pequena; no entanto, a anodização espessa e dura pode reduzir o fluxo de calor. Para peças que necessitam de proteção e condução, perfis de extrusão de alumínio anodizado continuam a ser uma escolha comum, desde que a espessura do revestimento seja controlada para se adequar ao projeto térmico.

Fatores que reduzem a condutividade térmica do alumínio

Composição da Liga

Cada elemento de liga se comporta de maneira diferente. Magnésio e silício em ligas 6xxx reduzem moderadamente a condutividade. O cobre, como nas ligas 2xxx, causa uma queda maior. O zinco nas ligas 7xxx fica no meio. A seleção de uma classe é, portanto, uma troca entre condutividade, resistência e resposta ao acabamento superficial.

Têmpera e Tratamento Térmico

Nas ligas 6xxx, uma têmpera T5 tende a preservar mais a condutividade formada da extrusão, ao mesmo tempo em que fornece resistência suficiente para muitas aplicações de dissipação de calor. Um temperamento T6 pode ser mais forte, mas geralmente vem com um k mais baixo. Se o seu principal requisito for a movimentação de calor, pergunte se o T5 é aceitável para as cargas estruturais da sua peça.

Temperatura e Impurezas

À medida que a temperatura aumenta, as vibrações da rede espalham os elétrons com mais força, então k cai. Impurezas de ferro e silício em ligas forjadas formam partículas intermetálicas que também reduzem a condutividade. Variantes com baixo teor de ferro das ligas 1xxx e 6xxx estão disponíveis quando a condução máxima é necessária, embora possam custar mais.

Aplicando Dados de Condutividade Térmica em Perfis de Dissipadores de Calor e Aquecedores

A melhor liga de alumínio para um dissipador de calor não é simplesmente aquela com k mais alto. Você também precisa de geometria de perfil, fluxo de ar, área de superfície e método de montagem. Os perfis extrudados colocam o material exatamente onde o calor se espalha e onde as aletas o liberam. O ponto de partida é entender como a escolha da liga e o design da matriz interagem; nosso ligas de extrusão de alumínio e guia de design cobre isso com mais detalhes.

Extrusões de dissipador de calor

Para eletrônica de potência, drivers de LED e controladores de motor, um dissipador de calor extrudado com espaçamento controlado das aletas costuma ser suficiente. Uma liga de alta condutividade melhora a uniformidade da temperatura para que os pontos quentes não se formem diretamente sob a área de montagem do componente. Para peças de produção, nossos perfis de dissipador de calor de alumínio anodizado de alta condutividade térmica são feitas com esse requisito em mente.

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Perfis de aquecedor

Os gabinetes dos aquecedores e os aquecedores de dutos precisam de uma temperatura de superfície uniforme para que o fluxo de ar não seja superaquecido em um local. O peso leve e a boa condutividade do alumínio espalham o calor rapidamente ao longo do perfil. Nosso aquecedores de alta condutividade térmica perfis de alumínio são uma solução extrudada para essa tarefa exata.

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O que fazer com esses dados

Comece com a resistência térmica necessária e, em seguida, escolha uma liga, têmpera e geometria de perfil que a atendam. Se o orçamento permitir, faça um protótipo com 6063-T5 ou uma liga 6xxx com baixo teor de ferro e meça as temperaturas reais. Não confie apenas nos valores dos livros didáticos; dados do fornecedor, acabamento superficial e materiais de interface são importantes.

Para peças extrudadas, como dissipadores de calor e perfis de aquecimento, o controle do processo do fabricante é tão importante quanto a liga. Um fornecedor que entende o fluxo da matriz, o tratamento térmico e o acabamento pode oferecer desempenho térmico consistente. É por isso que a condutividade térmica deve ser discutida durante a fase de projeto, e não depois que o desenho estiver congelado.