Коэффициент теплопроводности строительных материалов таблица

Первый вопрос, который возникает, у того, кто решил построить собственный дом, – какой использовать для этого материал. От этого зависит выбор фундамента, в свою очередь, а также теплопроводность стен. На это влияет наличие пор, плотность и прочие характеристики стройматериала. Главнейшим из них является теплопроводность. Коэффициенты теплопроводности строительных материалов, конечно, неодинаковы. И выбирать нужно материал наиболее подходящий для постройки дома в данной местности.

Узнать значение коэффициента теплопроводности можно из документации производителя на этот материал. Коэффициент теплопроводности строительных материалов, таблица тоже поможет выяснить интересующую величину. К примеру, теплопроводность дерева лучше, чем у кирпича. Поэтому, кирпичные стены в доме должны быть втрое толще стен из сосновых бревен, чтобы было также тепло.

Определение понятия

Коэффициентом теплопроводности называется физическая величина, показывающая количество тепла, проходящего за час через метровую толщину материала. Температура на той поверхности, через которую тепло выходит, должна быть на 1°С меньше, чем с другой стороны.

Коэффициенты теплопроводности строительных материалов учитываются во многих случаях. Важно их знать, например, при выборе теплоизоляционного материала для стен здания. В этом случае очень важен правильный расчет. Из-за ошибки сместится точка росы, на стенах, в результате, появится влага, в доме будет холодно и сыро.

Поэтому, коэффициент теплопроводности строительных материалов, таблица обязательно должна быть внимательно изучена во избежание промашек.

Комбинация материалов

Качество производимых утеплителей, благодаря современным технологиям, очень высокое, и строительная индустрия получает весьма широкие возможности. В холодных регионах не нужно возводить дома с большой шириной стен. Надо лишь правильно скомбинировать строительный и теплоизоляционный материалы. Если вам нужно узнать коэффициент теплопроводности строительных материалов, таблица поможет в этом.

Поскольку теплопроводность кирпича небольшая, компенсировать это можно путем использования пенополистирола, к примеру, имеющего коэффициент теплопроводности 0,03 Вт/м град. Вместо кирпича выгодно использовать ячеистый бетон с такими же параметрами, как у дерева. Даже в лютые морозы в доме, построенном из этого материала, сохраняется тепло.

Благодаря таким приемам, стоимость постройки зданий сократилась. Также на возведение сооружения требуется меньше времени. Огромный плюс в том, что нет необходимости в массивном основании, что отдельно дает немалую экономию. Иногда нужен просто легкий столбчатый или ленточный фундамент.

Теплопроводность и каркасное строительство

Все вышесказанное особенно актуально при постройке каркасных домов. Использование материалов низкой теплопроводности привело к тому, что сейчас с применением каркасной технологии строится большое количество коттеджей, складов, магазинов и других сооружений. А возводить каркасные здания можно в зонах с любым климатом.

Теплоизоляционный материал в случае с каркасно-щитовыми зданиями помещается между листами фанеры и плитами OSB. Каким именно должен быть утеплитель в данных климатических условиях, определить можно, используя «коэффициент теплопроводности строительных материалов таблица» на нашем сайте. Будет это пенополиуретан или минеральная вата, толщина утеплителя выбирается в зависимости от величины коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала.

Наподобие того, как утраивается комбинация стен и утеплителя, делается и кровля строения. Применение этой технологии позволяет построить здание в короткий срок, а денежные затраты при этом минимальны.

Минеральная вата и пенополистирол являются лидерами среди материалов-утеплителей для фасадов. Насчет минеральной ваты однозначного мнения нет. Одни специалисты утверждают, что этот материал накапливает конденсат, и использоваться может только вместе с паронепроницаемой мембраной. Но в этом случае стены не «дышат», поэтому целесообразность использования этих материалов остается под вопросом.

По мнению других, устранить эту проблему можно путем устройства вентилируемых фасадов.

Пенополистирол помимо того, что хорошо пропускает воздух, имеет невысокую теплопроводность. Этот показатель зависит от плотности материала. Еще одной важной характеристикой является паропроницаемость. Проветривать помещение в этом случае не нужно.

Высокий уровень паронепроницаемости и низкая теплопроводность стен дома обеспечат отличные условия проживания.

Теплопроводность строительных материалов

При выборе  материалов  для строительства важно обращать внимание на такой показатель как теплопроводность.

Теплопроводность — свойство материала передавать тепло через свою толщу от одной поверхности к другой, если эти поверхности имеют разную температуру.

Количественно способность вещества проводить тепло характеризуется коэффициентом теплопроводности. Эта характеристика равна количеству теплоты, проходящему через однородный образец материала единичной длины и единичной площади за единицу времени при единичной разнице температур (1 К). В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения коэффициента теплопроводности является Вт/(м·K).

Чем меньше этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше цифра, тем тепло отводится лучше.

Для утепления используются материалы с низким коэффициентом теплопроводности — они лучше сохраняют тепло. В случае если объект состоит из нескольких слоев материала, его теплопроводность определяется как сумма коэффициентов всех материалов. При расчетах, рассчитывается теплопроводность каждой из составляющих «пирога», найденные величины суммируются. В общем получаем теплоизоляционную способность ограждающей конструкции (стен, пола, потолка).

Есть еще такое понятие как тепловое сопротивление. Оно отображает способность материала препятствовать прохождению по нему тепла. То есть, это обратная величина по отношению к теплопроводности. И, если вы видите материал с высоким тепловым сопротивлением, его можно использовать для теплоизоляции.

Не все строительные материалы одинаково теплоэффективны. На это влияют следующие факторы:

1. Структура материала 

Материалы с пористой структурой пропускают минимум тепла. Пористая структура материала говорит о том, что подобное строение неоднородно, а поры наполнены воздухом. Тепловые массы, перемещаясь через такие прослойки, теряют минимум своей энергии. 

Например, благодаря структуре с замкнутыми порами пенобетон

считается одним из лучших теплоизоляторов

2. Плотность

Повышенная плотность материала гарантирует более тесную взаимосвязь частиц друг с другом. Соответственно, уравновешивание температурного баланса происходит намного быстрее. По этой причине плотный материал обладает большим коэффициентом проводимости тепла. Поэтому железобетон считается одним из самых «холодных» материалов.

3. Влажность

Влажность также оказывает влияние на теплопроводность. Влажные поверхности материала пропускают большее количество тепла. В ряде справочников и ГОСТ даже указывается расчетный коэффициент теплопроводности материала в трех состояниях: сухом, среднем (обычном) и влажном.

Значения коэффициента теплопроводности для строительных материалов приведены в таблице                СП 50.13330.2012 Тепловая защита зданий.  Первое значение в таблице — это значение для сухого состояния. Второе и третье значения — это значения теплопроводности для условий эксплуатации А и Б. А — это обычная «средняя» эксплуатация, а Б — это влажные условия.

Ниже приведены данные из этой таблицы для  некоторых теплоизоляционных материалов в сухом состоянии.

У разных производителей эти характеристики могут отличаться. Поэтому обращайте внимание при покупке каждого строительного материала  на значения характеристик теплопроводности.

Теплопроводность | Определение, наука и приложения

теплопроводность в кулинарии

Посмотреть все средства массовой информации

Ключевые люди:

Андерс Йонас Ангстрем

Похожие темы:

нагревать
теплопроводность
радиационная проводимость
внешняя проводимость
собственная проводимость

Просмотреть весь связанный контент →

теплопроводность , способность вещества проводить тепло или перемещать тепло из одного места в другое без перемещения материала, проводящего тепло. Теплопроводность измеряется в ваттах на метр-кельвин (Вт/мК). Например, твердый алюминий имеет теплопроводность 237 Вт/мК при –73 °C (–99 °F), 236 Вт/мК при 0 °C (32 °F) и 232 Вт/мК при 327 °C ( 621 °F). Теплопроводность материала изменяется с температурой и может быть связана с изменениями давления в зависимости от состояния материала.

В физике теплопроводность обозначается символом k или λ . Он представляет собой один из трех способов передачи тепла из одного места в другое, два других — конвекция и излучение. Закон теплопроводности Фурье дает скорость, с которой тепло передается посредством теплопроводности: q = – k ∇ T , где q — локальная плотность теплового потока, а ∇ T — градиент температуры.

Больше из Britannica

жидкость: теплопроводность

Процесс теплопроводности

Когда тепло передается через твердое тело, тепло передается за счет молекулярного или атомного движения и контакта между частицами. Теплопередача не является результатом движения атомов или молекул через твердое тело. В твердом теле тепло перемещается по разности температур (называемой температурным градиентом) из области с высокой температурой и, следовательно, с сильным перемешиванием частиц в область с низкой температурой и, следовательно, с низким перемешиванием частиц. Эта передача тепловой энергии продолжается до тех пор, пока весь материал, составляющий твердое тело, не достигнет теплового равновесия, что означает, что температура во всем материале одинакова. Время, необходимое для этого, зависит от нескольких факторов, включая величину разницы температур внутри материала и тепловые характеристики самого материала. Эти характеристики включают атомный или молекулярный состав материала и расстояние, известное как длина пути, через которое должно проходить тепло.

Когда проводящим материалом является жидкость или газ, тепло передается за счет движения частиц, а также за счет движения самих атомов или молекул. Теплопроводность быстрее всего происходит в твердом теле и медленнее всего в газе. Когда вещество находится в газовой фазе, частицы имеют большие расстояния между собой и поэтому сталкиваются реже. Эти столкновения передают тепловую энергию, поэтому меньшее количество столкновений приводит к более низкой скорости теплопроводности.

Примеры теплопроводности

При приготовлении пищи повара часто используют металлические сковороды. Когда сковорода нагревается на плите, тепловая энергия от плиты передается металлу на дне сковороды. Затем эта энергия распространяется по всей сковороде, в конечном итоге готовя пищу. Однако со временем тепло будет передаваться и на ручку сковороды. Поэтому производители сковород часто тщательно выбирают материал для ручки сковороды, который является плохим проводником тепла, чтобы повара не подвергались опасности обжечь руки.

Тепловое прикосновение, или то, как тело ощущает температуру при прикосновении к горячему или холодному объекту, также подчиняется принципам теплопроводности. Когда человек прикасается к объекту, температура объекта и кожи изменяется в зависимости как от их свойств, так и от их начальной температуры.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.

Подписаться

Кен Стюарт

Материалы для термоинтерфейса | Охлаждение электроники

Сборщику электроники не потребуется много времени, чтобы понять, что материал теплового интерфейса (TIM) необходим, когда две или более твердых поверхностей находятся на пути тепла. Стандартные обработанные поверхности шероховатые и волнистые, что приводит к относительно небольшому количеству точек фактического контакта между поверхностями. Изолирующие воздушные зазоры, создаваемые многочисленными пустотами «соприкасающихся» твердых поверхностей, являются просто слишком большим тепловым барьером даже для приложений со скромной мощностью. Первая тактика преодоления этого барьера заключается в заполнении пустот и удалении воздуха путем введения в тепловой тракт третьего материала, который является текучим и смачивает поверхности. Для более требовательных тепловых приложений второй тактикой является использование композитного ТИМ, содержащего наполнители, которые улучшают процесс проводимости третьего материала. Йованович и др. [1] подсчитали, что простая замена воздуха смазкой может снизить тепловое сопротивление примерно в пять раз (в зависимости от поверхности и контактного давления). Как показано на рис. 1, материал теплового интерфейса существенно меняет путь прохождения тепла между твердыми телами с шероховатой поверхностью с теплопроводности через точечные контакты и воздух на теплопроводность полностью через твердые тела.

Рисунок 1а. Проводимость через точечные контакты и воздух между твердыми поверхностями.

Рисунок 1б. Проведение через ТИМ, заполняющее пробелы.

Важным свойством любого ТИМ является его теплопроводность, k _ТИМ . Ненаполненные полимеры имеют теплопроводность около 0,1 Вт/м·К. Все современные ТИМ представляют собой композиты, содержащие наполнители в виде частиц, которые повышают теплопроводность до диапазона 7 Вт/м·К. Неорганические наполнители в виде частиц включают оксид алюминия, оксид магния, нитрид алюминия, нитрид бора и алмазный порошок. Также используются металлические наполнители, особенно серебро. К сожалению, одной только высокой теплопроводности недостаточно для обеспечения оптимальной работы системы, как мы покажем позже. В описаниях конкретных классов материалов мы будем характеризовать характеристики термическим сопротивлением (приведенным к единице площади на один квадратный сантиметр), которое имеет единицы К·см ² /Вт, полученный из одномерного расчета теплового потока. Таким образом, мы можем учесть толщину межфазной поверхности. Конкретное значение в любом конкретном приложении сильно зависит от контактных поверхностей и приложенного давления. Тем не менее, указанные диапазоны являются репрезентативными для каждого класса материалов. (Примечание: многие поставщики сообщают значения сопротивления в смешанных единицах K�in ² /Вт. Их необходимо умножить на 6,45, чтобы они соответствовали единицам измерения, указанным в данном документе.)

Помимо тепловых характеристик, TIM выбираются также ряд других важных критериев. Простота использования при сборке и доработке важна для высокопроизводительных приложений, как и долговременная стабильность (надежность). Поток производственного процесса часто диктует выбор материала. Например, во многих случаях TIM крепится к радиатору в одном месте, а окончательная сборка модуля происходит в другом. Эластомерные прокладки были разработаны в качестве альтернативы ранним решениям для смазки, в основном из-за производственных преимуществ, которые они предлагали. Материалы с фазовым переходом появились как технология, которая объединила преимущества тепловых характеристик смазки и простоту сборки твердой прокладки. В процессе выбора TIM часто упускают из виду клеи и припои. Оба обладают уникальным преимуществом надежного механического соединения, устраняя необходимость в зажимном оборудовании, которое требуется для смазок, прокладок и материалов с фазовым переходом.

Смазки

Смазки (также известные как термопасты) представляют собой силиконовые или углеводородные масла, содержащие различные наполнители. Исторически сложилось так, что они являются самым старым классом материалов, поскольку они легко решают основную задачу устранения микроскопических воздушных карманов. Как группу их часто характеризуют как «грязные» и трудно наносимые из-за их высокой вязкости. Более серьезной проблемой при нанесении является воспроизводимость доставки правильного количества для достижения полного покрытия с достаточно тонким зазором. Компоненты требуют механического зажима, а давление около 300 кПа обычно обеспечивает оптимальные тепловые характеристики.

Традиционные смазки обычно имеют поверхностное сопротивление около 1 кОм см ² /Вт, в то время как новейшие продукты находятся в диапазоне 0,2 кОм см ² /Вт. Поскольку они нагреваются во время использования, вязкость падает, и они имеют тенденцию к дальнейшему смачиванию контактных поверхностей, что повышает производительность за счет снижения межфазного сопротивления. Неблагоприятным последствием в приложениях, которые включаются и выключаются, является явление, известное как «откачка», при котором смазка с низкой вязкостью вытесняется из интерфейса, потенциально загрязняя соседние компоненты. В экстремальных условиях интерфейс может пересохнуть.

Из-за своей долгой истории и широкого применения в потребительских товарах консистентные смазки часто считаются пиком на рынке. Наоборот, новые составы разрабатываются для удовлетворения конкретных потребностей микропроцессорной упаковки. Один поставщик микропроцессоров рекомендует только два материала термоинтерфейса для сопряжения своего последнего продукта с радиатором, и оба являются недавно разработанными смазками [2].

Эластомерные прокладки

Эластомерные прокладки являются логическим продолжением пластичных смазок: полимеризованные силиконовые каучуки в виде удобных в обращении твердых веществ. При типичной толщине 0,25 мм большинство колодок имеют основу из тканого стекловолокна для улучшения управляемости и содержат неорганические наполнители, как и смазки. Они поставляются в виде вырубных заготовок точной формы, необходимой для применения (например, все стандартные корпуса транзисторов TO). Поэтому сборка этих продуктов очень проста. Компромисс заключается в том, что для достижения адекватного интерфейса необходимы высокие давления (~ 700 кПа). Кроме того, с диапазоном тепловых характеристик 1 – 3 К·см ² /W, применение ограничивается теми, у которых умеренные тепловые требования.

Термоленты

Термоленты были разработаны как метод крепления радиатора. Они устраняют необходимость во внешних зажимах, что снижает общие требования к оборудованию. Термоленты представляют собой заполненные чувствительные к давлению клеи (PSA), нанесенные на опорную матрицу, такую ​​как полиимидная пленка, мат из стекловолокна или алюминиевая фольга. PSA прилипают к поверхностям при контакте и при небольшом надавливании. Их обычно можно найти на бинтах и ​​«липкой» бумаге для заметок.

Как и в случае с прокладками, тепловые характеристики находятся в диапазоне сопротивления 1 – 4 К·см ² /Вт и сильно зависят от качества поверхности. На самом деле, основной движущей силой использования лент часто является их адгезионная способность, а тепловые характеристики имеют второстепенное значение. Ленты также имеют очень ограниченную податливость и, как правило, не подходят для современных формованных корпусов BGA с вогнутыми верхними поверхностями.

Материалы с фазовым переходом

Материалы с фазовым переходом сочетают в себе тепловые характеристики смазки с удобством эластомерной прокладки. Первоначально разработан в 1980-х, они стали известны в 1990-х, когда их можно было легко предварительно нанести на радиаторы на Тайване. Затем окончательная сборка микропроцессора была выполнена у контрактного производителя без необходимости работы с «грязной» смазкой.

Материалы с фазовым переходом преимущественно представляют собой воски, которые обычно плавятся в диапазоне 50–80°C. По сути, это низкотемпературные термопластичные клеи. На практике они являются эффективными проводниками тепла как выше, так и ниже точки плавления. При работе выше точки плавления они неэффективны в качестве клея и нуждаются в механической поддержке, поэтому они всегда используются с зажимом, создающим давление в диапазоне 300 кПа.

Как и в случае прокладок и лент, их можно получить в различных конфигурациях, как с опорой, так и без нее, и с добавлением наполнителей для повышения теплопроводности. Уровни производительности очень близки к консистентной смазке, в диапазоне 0,3 – 0,7 к·см ² /Вт. Что мешает им быть идеальным решением? Ремонтопригодность. Несмотря на то, что он не классифицируется как клей, его адгезия достаточна для того, чтобы дорогие компоненты подвергались риску во время доработки. Это основное соображение при переходе на смазку с новейшими высокопроизводительными микропроцессорами.

Гели

Гели — еще один недавно разработанный вариант, который распределяется подобно смазке, но затем отверждается до частично сшитой структуры, что устраняет проблему откачивания [3]. Уровни термостойкости сопоставимы со смазкой в ​​диапазоне 0,4 – 0,8 К·см ² /Вт.

Теплопроводящие клеи

Теплопроводящие клеи часто упускают из виду инженеры-теплотехники. Обычно составы на основе эпоксидной смолы или силикона, содержащие наполнители, обеспечивают превосходную механическую связь, которая может уменьшить размер и вес системы. Обычно с термическим сопротивлением < 1 К·см ² /Вт, лучшие исполнители достигают 0,15 К·см ² /Вт. Однако они требуют надежных производственных процессов, поскольку повторная обработка нецелесообразна. Преимуществом клея является компактный корпус, высокоэффективный интерфейс и долговременная надежность.

Припой

Припой — это еще один TIM, который часто упускают из виду. Он представляет собой окончательную границу раздела из твердого металла с сопротивлением < 0,05 К·см ² /Вт. Несмотря на проблемы высокотемпературной обработки (и переделки), припой используется в качестве теплового интерфейса там, где не существует другого жизнеспособного варианта: присоединение силового кристалла первого уровня. На более высоких уровнях упаковки интерфейсы обычно не подходят для использования припоя, а расширенные области делают обработку очень сложной.

Количественное определение

«Почти все существующие решения для термоупаковки ограничены тепловым сопротивлением на твердотельных поверхностях вдоль основных путей отвода тепла от чипа к окружающему воздуху, особенно на поверхности чипа и на радиаторе. база.» [4]  

Инженеры-теплотехники постоянно ищут «лучшие» продукты с тепловым интерфейсом. Обычно это выражается в требовании более высокой теплопроводности. Но так ли это на самом деле? Это достаточно? Насколько критична ситуация? Следующий анализ пытается дать количественную оценку проблемы.

Хорошо известно, что тепло будет течь везде, где возможно, и будет использовать любой способ, обеспечивающий путь с наименьшим сопротивлением, будь то теплопроводность, конвекция или излучение. Все электронные системы в конечном итоге отводят свое тепло в атмосферу за счет конвекции. Вдоль промежуточного пути всегда есть проводящий участок (обычно это основной путь), и где-то по пути вступают в контакт два разных материала, отсюда и необходимость в ТИМ.

Рис. 2. Модельная диаграмма одномерного теплового потока через пять резистивных путей: три объемных материала и два интерфейса. раковина»). Интересующие в данном случае ТИМ тонкие и легко моделируются одномерным переносом тепла. В данном случае (рис. 2) будем исследовать течение тепла через кремниевые и алюминиевые пластины, сопряженные с ТИМ, предполагающим равномерный теплообмен по оси z с общим сопротивлением:

(1) Легко продемонстрировать [5], что сопротивление интерфейса фактически состоит из двух новых контактных сопротивлений плюс объемного сопротивления TIM:

(2) Объединение значений отдельных контактов и введение соотношения объемной проводимости по одной оси дает зависимость сопротивления от площади межфазного контакта и толщины:

(3) где t — толщина материала (м), A — его площадь (м ² ), а k _TIM — теплопроводность в Вт/м К.

Применение соотношения объемной теплопроводности к кремнию и алюминию дает общее сопротивление системы:

(4)

Типичные значения для кремния и алюминия показаны в таблице 1. С этими базовыми значениями для алюминия и кремния чувствительность к толщине для репрезентативных ТИМ показана на рисунке 3. Очевидно, что на самом деле интерфейс представляет собой критическим звеном в тепловом тракте и может составлять значительную часть бюджета управления температурным режимом. В этой модели эластомерная прокладка толщиной 0,2 мм полностью соответствует 90 % от общего сопротивления системы (1,7 К·см ² /Вт). Значительное улучшение достигается при толщине поверхности раздела смазки 0,1 мм, что составляет 56% от общего значения 0,4 к·см ² /Вт. Очевидно, что более тонкие интерфейсы и более высокая проводимость улучшают ситуацию. Но также важно понимать, что контактное сопротивление на самом деле может быть более важным фактором, особенно для приложений с высокими требованиями к температуре. Повышение теплопроводности «сглаживает» характеристику общего сопротивления, но если это достигается за счет контактного сопротивления, никакого общего улучшения не происходит. Ясно, что как поставщики, так и пользователи ТИМ должны учитывать как объемную проводимость, так и контактное сопротивление, чтобы добиться успеха.

Рис. 3. Общее тепловое сопротивление твердых тел плюс структуры ТИМ.

Заключение

Пока электронные системы не являются монолитными (т. е. построены из различных комбинаций материалов, таких как металлы, полимеры, керамика, полупроводники), будет потребность в материалах для теплового интерфейса. По мере того, как электронные системы становятся быстрее, горячее, компактнее и портативнее, потребность в улучшенных ТИМ будет сохраняться. Победители будут решать проблемы термостойкости (возможно, адаптированные для конкретных интерфейсов), будут просты в использовании в производстве, будут ремонтопригодны при необходимости и будут иметь долгосрочную надежность.

Ссылки

1. Йованович М.М., Калхэм Дж.Р. и Тирстра П. Расчет сопротивления интерфейса // ElectronicsCooling. 3, № 2, май 1997 г., стр. 24–29.