Теплопроводность строительных материалов, что это, таблица

Последние годы при строительстве дома или его ремонте большое внимание уделяется энергоэффективности. При уже существующих ценах на топливо это очень актуально. Причем похоже что дальше экономия будет приобретать все большую важность. Чтобы правильно подобрать состав и толщин материалов в пироге ограждающих конструкций (стены, пол, потолок, кровля) необходимо знать теплопроводность строительных материалов. Эта характеристика указывается на упаковках с материалами, а необходима она еще на стадии проектирования. Ведь надо решить из какого материала строить стены, чем их утеплять, какой толщины должен быть каждый слой.  

Содержание статьи

• 1 Что такое теплопроводность и термическое сопротивление
• 2 Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов
• 3 Таблица теплопроводности строительных материалов
• 4 Как рассчитать толщину стен
  • 4.1 Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев
  • 4. 2 Пример расчета толщины утеплителя

Что такое теплопроводность и термическое сопротивление

При выборе строительных материалов для строительства необходимо обращать внимание на характеристики материалов. Одна из ключевых позиций — теплопроводность. Она отображается коэффициентом теплопроводности. Это количество тепла, которое может провести тот или иной материал за единицу времени. То есть, чем меньше этот коэффициент, тем хуже материал проводит тепло. И наоборот, чем выше цифра, тем тепло отводится лучше.

Диаграмма, которая иллюстрирует разницу в теплопроводности материалов

Материалы с низкой теплопроводностью используются для утепления, с высокой — для переноса или отвода тепла. Например, радиаторы делают из алюминия, меди или стали, так как они хорошо передают тепло, то есть имеют высокий коэффициент теплопроводности. 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 теплоизоляцонную способность ограждающей конструкции (стен, пола, потолка).

Теплопроводность строительных материалов показывает количество тепла, которое он пропускает за единицу времени

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. Примером теплоизоляционных материалов может случить популярная минеральная или базальтовая вата, пенопласт и т.д. Материалы с низким тепловых сопротивлением нужны для отведения или переноса тепла. Например, алюминиевые или стальные радиаторы используют для отопления, так как они хорошо отдают тепло.

Таблица теплопроводности теплоизоляционных материалов

Чтобы в доме было проще сохранять тепло зимой и прохладу летом, теплопроводность стен, пола и кровли должна быть не менее определенной цифры, которая рассчитывается для каждого региона. Состав «пирога» стен, пола и потолка, толщина материалов берутся с таким учетом чтобы суммарная цифра была не меньше  (а лучше — хоть немного больше) рекомендованной для вашего региона.

Коэффициент теплопередачи материалов современных строительных материалов для ограждающих конструкций

При выборе материалов надо учесть, что некоторые из них (не все) в условиях повышенной влажности проводят тепло гораздо лучше. Если при эксплуатации возможно возникновение такой ситуации на продолжительный срок, в расчетах используют теплопроводность для этого состояния. Коэффициенты теплопроводности основных материалов, которые используются для утепления, приведены в таблице.

Наименование материала	Коэффициент теплопроводности Вт/(м·°C)
	В сухом состоянии	При нормальной влажности	При повышенной влажности
Войлок шерстяной	0,036-0,041	0,038-0,044	0,044-0,050
Каменная минеральная вата 25-50 кг/м3	0,036	0,042	0,,045
Каменная минеральная вата 40-60 кг/м3	0,035	0,041	0,044
Каменная минеральная вата 80-125 кг/м3	0,036	0,042	0,045
Каменная минеральная вата 140-175 кг/м3	0,037	0,043	0,0456
Каменная минеральная вата 180 кг/м3	0,038	0,045	0,048
Стекловата 15 кг/м3	0,046	0,049	0,055
Стекловата 17 кг/м3	0,044	0,047	0,053
Стекловата 20 кг/м3	0,04	0,043	0,048
Стекловата 30 кг/м3	0,04	0,042	0,046
Стекловата 35 кг/м3	0,039	0,041	0,046
Стекловата 45 кг/м3	0,039	0,041	0,045
Стекловата 60 кг/м3	0,038	0,040	0,045
Стекловата 75 кг/м3	0,04	0,042	0,047
Стекловата 85 кг/м3	0,044	0,046	0,050
Пенополистирол (пенопласт, ППС)	0,036-0,041	0,038-0,044	0,044-0,050
Экструдированный пенополистирол (ЭППС, XPS)	0,029	0,030	0,031
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 600 кг/м3	0,14	0,22	0,26
Пенобетон, газобетон на цементном растворе, 400 кг/м3	0,11	0,14	0,15
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 600 кг/м3	0,15	0,28	0,34
Пенобетон, газобетон на известковом растворе, 400 кг/м3	0,13	0,22	0,28
Пеностекло, крошка, 100 — 150 кг/м3	0,043-0,06
Пеностекло, крошка, 151 — 200 кг/м3	0,06-0,063
Пеностекло, крошка, 201 — 250 кг/м3	0,066-0,073
Пеностекло, крошка, 251 — 400 кг/м3	0,085-0,1
Пеноблок 100 — 120 кг/м3	0,043-0,045
Пеноблок 121- 170 кг/м3	0,05-0,062
Пеноблок 171 — 220 кг/м3	0,057-0,063
Пеноблок 221 — 270 кг/м3	0,073
Эковата	0,037-0,042
Пенополиуретан (ППУ) 40 кг/м3	0,029	0,031	0,05
Пенополиуретан (ППУ) 60 кг/м3	0,035	0,036	0,041
Пенополиуретан (ППУ) 80 кг/м3	0,041	0,042	0,04
Пенополиэтилен сшитый	0,031-0,038
Вакуум	0
Воздух +27°C. 1 атм	0,026
Ксенон	0,0057
Аргон	0,0177
Аэрогель (Aspen aerogels)	0,014-0,021
Шлаковата	0,05
Вермикулит	0,064-0,074
Вспененный каучук	0,033
Пробка листы 220 кг/м3	0,035
Пробка листы 260 кг/м3	0,05
Базальтовые маты, холсты	0,03-0,04
Пакля	0,05
Перлит, 200 кг/м3	0,05
Перлит вспученный, 100 кг/м3	0,06
Плиты льняные изоляционные, 250 кг/м3	0,054
Полистиролбетон, 150-500 кг/м3	0,052-0,145
Пробка гранулированная, 45 кг/м3	0,038
Пробка минеральная на битумной основе, 270-350 кг/м3	0,076-0,096
Пробковое покрытие для пола, 540 кг/м3	0,078
Пробка техническая, 50 кг/м3	0,037

Часть информации взята нормативов, которые прописывают характеристики определенных материалов (СНиП 23-02-2003, СП 50. 13330.2012, СНиП II-3-79* (приложение 2)). Те материал, которые не прописаны в стандартах, найдены на сайтах производителей. Так как стандартов нет, у разных производителей они могут значительно отличаться, потому при покупке обращайте внимание на характеристики каждого покупаемого материала.

Таблица теплопроводности строительных материалов

Стены, перекрытия, пол, делать можно из разных материалов, но так повелось, что теплопроводность строительных материалов обычно сравнивают с кирпичной кладкой. Этот материал знаю все, с ним проще проводить ассоциации. Наиболее популярны диаграммы, на которых наглядно продемонстрирована разница между различными материалами. Одна такая картинка есть в предыдущем пункте, вторая — сравнение кирпичной стены и стены из бревен — приведена ниже. Именно потому для стен из кирпича и другого материала с высокой теплопроводностью выбирают теплоизоляционные материалы. Чтобы было проще подбирать, теплопроводность основных строительных материалов сведена в таблицу.

Сравнивают самые разные материалы

Древесина — один из строительных материалов с относительно невысокой теплопроводностью. В таблице даны ориентировочные данные по разным породам. При покупке обязательно смотрите плотность и коэффициент теплопроводности. Далеко не у всех они такие, как прописаны в нормативных документах.

Металлы очень хорошо проводят тепло. Именно они часто являются мостиком холода в конструкции. И это тоже надо учитывать, исключать прямой контакт используя теплоизолирующие прослойки и прокладки, которые называются термическим разрывом. Теплопроводность металлов сведена в другую таблицу.

Как рассчитать толщину стен

Для того чтобы зимой в доме было тепло, а летом прохладно, необходимо чтобы ограждающие конструкции (стены, пол, потолок/кровля) должны иметь определенное тепловое сопротивление. Для каждого региона эта величина своя. Зависит она от средних температур и влажности в конкретной области.

Термическое сопротивление ограждающих
конструкций для регионов России

Для того чтобы счета за отопление не были слишком большими, подбирать строительные материалы и их толщину надо так, чтобы их суммарное тепловое сопротивление было не меньше указанного в таблице.

Расчет толщины стены, толщины утеплителя, отделочных слоев

Для современного строительства характерна ситуация, когда стена имеет несколько слоев. Кроме несущей конструкции есть утепление, отделочные материалы. Каждый из слоев имеет свою толщину. Как определить толщину утеплителя? Расчет несложен. Исходят из формулы:

Формула расчета теплового сопротивления

R — термическое сопротивление;

p — толщина слоя в метрах;

k — коэффициент теплопроводности.

Предварительно надо определиться с материалами, которые вы будете использовать при строительстве. Причем, надо знать точно, какого вида будет материал стен, утепление, отделка и т. д. Ведь каждый из них вносит свою лепту в теплоизоляцию, и теплопроводность строительных материалов учитывается в расчете.

Сначала считается термическое сопротивление конструкционного материала (из которого будет строится стена, перекрытие и т.д.), затем «по остаточному» принципу подбирается толщина выбранного утеплителя. Можно еще принять в расчет теплоизоляционных характеристики отделочных материалов, но обычно они идут «плюсом» к основным. Так закладывается определенный запас «на всякий случай». Этот запас позволяет экономить на отоплении, что впоследствии положительно сказывается на бюджете.

Пример расчета толщины утеплителя

Разберем на примере. Собираемся строить стену из кирпича — в полтора кирпича, утеплять будем минеральной ватой. По таблице тепловое сопротивление стен для региона должно быть не меньше 3,5. Расчет для этой ситуации приведен ниже.

1. Для начала просчитаем тепловое сопротивление стены из кирпича. Полтора кирпича это 38 см или 0,38 метра, коэффициент теплопроводности кладки из кирпича 0,56. Считаем по приведенной выше формуле: 0,38/0,56 = 0,68. Такое тепловое сопротивление имеет стена в 1,5  кирпича.
2. Эту величину отнимаем от общего теплового сопротивления для региона: 3,5-0,68 = 2,82. Эту величину необходимо «добрать» теплоизоляцией и отделочными материалами.

   Рассчитывать придется все ограждающие конструкции

3. Считаем толщину минеральной ваты. Ее коэффициент теплопроводности 0,045. Толщина слоя будет: 2,82*0,045 = 0,1269 м или 12,7 см. То есть, чтобы обеспечить требуемый уровень утепления, толщина слоя минеральной ваты должна быть не меньше 13 см.

Если бюджет ограничен, минеральной ваты можно взять 10 см, а недостающее покроется отделочными материалами. Они ведь будут изнутри и снаружи. Но, если хотите, чтобы счета за отопление были минимальными, лучше отделку пускать «плюсом» к расчетной величине. Это ваш запас на время самых низких температур, так как нормы теплового сопротивления для ограждающих конструкций считаются по средней температуре за несколько лет, а зимы бывают аномально холодными. Потому теплопроводность строительных материалов, используемых для отделки просто не принимают во внимание.

Химики создали материал с рекордной анизотропией теплопроводности

Ученые синтезировали
нанокомпозитное вещество, которое хорошо проводит тепло вдоль внутренних слоев,
но близко по свойствам к теплоизолятору в перпендикулярном направлении.
Отношение теплопроводностей в разных направлениях для данной структуры
оказалось рекордным и достигает значения в 38, пишут авторы в журнале Angewandte
Chemie.

Управление потоками тепла
исключительно важно в самых
разнообразных ситуациях, начиная от работы микроэлектроники, до поддержания
комфортной температуры внутри дома. Чтобы отвести тепло используются вещества с
высокой теплопроводностью, например, металлы. Для предотвращения нежелательного
изменения температуры применяются теплоизоляторы — как правило, многофазные
материалы, такие как пенопласт или поролон, представляющие собой заполненную
воздухом мелкую пену.

Несмотря на то, что теплопроводящие
свойства материалов обычно важны на сравнительно больших расстояниях, они
определяются структурой веществ и их химией на микроуровне. Ученые уже обнаружили
ряд экстремальных проявлений этой зависимости. В частности, одномерные полимерные
нити демонстрируют удивительно высокую теплопроводность, в то время как
неупорядоченные слоистые материалы, наоборот, проводят тепло очень плохо.

Химики из Германии и
Греции синтезировали новое вещество, которое представляет собой одномерные полимерные
цепи поливинилпирролидона, зажатые между слоями синтетического флюорогекторита
(Hec) — глинистого неорганического минерала. Получившаяся структура похожа по
строению на природный органико-неорганический композит — перламутр. При этом
вещество прозрачно, а также оказалось электрическим изолятором.

Ключевой особенностью материала
является его упорядоченность, которая позволяет создавать однородные пластины,
между которыми находятся не переплетающиеся полимерные нити. Такая система
подходит для детального исследования не только необычной теплопроводности, но и
ее связи с механическими свойствами вещества на микроскопическом масштабе,
которые измерять сложнее.

Получить столь однородный
материал позволило редкое свойство Hec под названием осмотическое набухание, то
есть отщепление слоев при определенных химических воздействиях. В случае Hec простое
погружение вещества в деионизованную воду приводило к разделению на отдельные чешуйки минимально возможной толщины 10 ангстрем и средним диаметром в 20 микрон.
Полученную взвесь смешивали с раствором полимера и высушивали, получая в
результате материал из сотен сложенных в стопку слоев.

Измерения свойств вещества
показало рекордное значение анизотропии теплопроводности: вдоль слоев тепло
распространялось до 38 раз лучше, чем поперек них. При этом большее значение (5,7
ватт на метр на кельвин) примерно соответствует показателям термопаст, которые
используют для отвода тепловой энергии от различных микроэлектронных устройств,
в том числе компьютерных процессоров. Для электрических изоляторов схожего
строения это также оказалось рекордом.

Ученые использовали ряд методов,
таких как бриллюэновская спектроскопия, для определения механических свойств
вещества и их зависимости от направления. Оказалось, что такие механические
характеристики, как модули сдвига и Юнга, коррелируют с теплопроводностью на
микроуровне — они оказались значительно анизотропными. Подобное также
устанавливается впервые, по словам авторов работы.

Ранее ученые вывели единую теорию для описания теплопроводности кристаллов и стекол, увидели в эксперименте квантование теплопроводности в топологических материалах, а также создали изотропный теплопроводящий пластик.

Тимур Кешелава

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Теплопроводные материалы и общие области применения

1.0 Что такое теплопроводность

Теплопроводность материала или элемента является определяющим свойством, которое помогает в разработке эффективных технологий нагрева/охлаждения. Значение теплопроводности можно определить путем измерения скорости, с которой тепло может проходить через материал.

Это значение выражается в ваттах на метр на градус Кельвина Вт/м•К в соответствии с рекомендациями S. I. (Международная система). Материалы с высокой теплопроводностью могут эффективно передавать тепло, в то время как материалы с более низкой теплопроводностью плохо передают тепло и медленно поглощают тепло из окружающей среды.

1.1 Факторы, влияющие на теплопроводность

На его теплопроводность могут влиять многочисленные химические и физические свойства элемента или материала. Как правило, материалы с простым химическим составом и молекулярной структурой имеют более высокую теплопроводность. Общей физической характеристикой, которая может влиять на теплопроводность материалов, является пористость. Воздух имеет теплопроводность 0,02 Вт/м•К при комнатной температуре (20-25°С). Это значение значительно ниже, чем у большинства твердых веществ. Когда воздух попадает в поры вещества, он может снизить скорость эффективного прохождения тепла через него. Размер пор, их распределение, форма и связность — все это влияет на пористость материала. Высокая пористость снижает теплопроводность. Другими внешними факторами, которые могут повлиять на теплопроводность, являются влажность и направление теплового потока.

Вода и лед имеют более высокую теплопроводность, чем воздух. Если материал подвергается воздействию среды с присутствующей влагой, он потенциально может быть поглощен и даст более высокое значение теплопроводности. Молекулярная структура материалов также может ограничивать поток тепла. Древесина является примером материала, молекулярная структура которого состоит из прямых волокон. Тепло, протекающее через древесину, движется в постоянном направлении по пути, обеспечиваемому волокнами. Если тепло течет против волокон, сопротивление больше. Это сопротивление может ограничить эффективную теплопередачу и снизить теплопроводность этого материала.

Рисунок 1: Пористость в образце горной породы

2.0 Теплопроводные материалы и современные применения

2.1 Алмазы

Алмаз в настоящее время носит титул теплопроводного материала, известного человеку. Теплопроводность алмаза может достигать 2000–2200 Вт/м•К при измерении при комнатной температуре (20–25°C). Это значение теплопроводности почти в 5 раз выше, чем у серебра, которое имеет второе по величине значение теплопроводности. Алмаз обычно используется в электронике для рассеивания тепла, чтобы защитить чувствительные устройства от перегрева. Их высокие значения теплопроводности также могут быть использованы для определения подлинности бриллиантов в ювелирных изделиях.

2.2 Серебро

Серебро имеет второй по величине измеренный показатель теплопроводности. Серебро — распространенный и относительно недорогой металл, который используется в тысячах практических приборов и технологий. 35% серебра, перерабатываемого в Соединенных Штатах, используется в электронике и электротехнике (сводка геологоразведочного сообщества США за 2013 г.) . Серебро является относительно ковким металлом, который можно легко манипулировать до различной вязкости и размера частиц. Это свойство серебра способствовало широкому использованию металла. Серебряная паста является примером промышленного продукта из серебра, спрос на который постоянно растет. Серебряная паста часто используется в производстве фотогальванических элементов, основного компонента солнечных панелей.

Рисунок 2: Круговая диаграмма, показывающая использование серебра в Соединенных Штатах Америки.

2.3 Медь, золото и алюминий

Медь является материалом с третьей по величине теплопроводностью, а также самым популярным металлом, используемым для производства технологий проводимости. Медь является чрезвычайно эффективным материалом для минимизации потерь энергии при передаче тепла. Медь имеет высокую температуру плавления и низкую скорость коррозии. Кастрюли, трубы с горячей водой и электронные радиаторы являются примерами приборов, в которых используются теплопроводные свойства меди.

Золото обладает такими же проводящими свойствами, как и медь, но встречается редко и требует больших затрат. Золото не тускнеет так быстро, как медь и серебро, поэтому его часто используют для изготовления электрических контактов и разъемов из-за его высокой износостойкости.

Алюминий — еще один металл с повышенным значением теплопроводности. Алюминий имеет относительно низкую температуру плавления по сравнению с другими металлами и часто используется в качестве экономичной альтернативы меди. Медно-алюминиевые смеси часто производятся для использования химических и физических характеристик обоих металлов и минимизации производственных затрат.

Рисунок 3: Основа решетки атома меди

2.4 Топ-10 теплопроводящих материалов

Таблица 1: Топ-10 теплопроводящих материалов и значения их проводимости, измеренные в Вт/м•К при комнатной температуре (20-25°C)

3.

0 Механика теплопроводности

Теплопроводность является основным компонентом минералов и элементы, которые имеют решающее значение для разработки бесчисленных технологий и инструментов. Выбор материала с надлежащим значением проводимости может повысить эффективность продукта и сэкономить энергию и деньги. Наиболее исключительными теплопроводниками являются металлы из-за их внутреннего электронного расположения. Ионы металлов плотно упакованы в виде решетки (рис. 3). Эти ионы постоянно вибрируют, выделяя тепло.

Молекулярная структура металлов также включает свободные электроны. Эти делокализованные электроны несут большое количество энергии при движении через решетку. Когда эти электроны сталкиваются с основой решетки, они возбуждают ионную структуру, заставляя ее колебаться быстрее. Повышенная вибрация решетки начинает выделять больше тепла. Из-за движения свободных электронов, присутствующих в металле, тепло, выделяемое ионными колебаниями, может более эффективно передаваться через вещество.

3.1 Механика теплопроводности алмазов

В отличие от электронов, переносящих тепло в металлах, фотоны переносят энергию и тепло в алмазах. В научном сообществе предполагается, что поверхность алмаза покрыта тонкой карбидной пленкой, которая способствует спариванию электронов с фотонами. Это взаимодействие в настоящее время исследуется и, по-видимому, является средой теплопередачи, влияющей на повышенную теплопроводность алмаза. Структура простых углеродных связей в алмазах также влияет на перенос тепла через каждый атом. Как упоминалось выше, материалы с простой молекулярной структурой часто обладают более высокой теплопроводностью.

Рисунок 4: Диаграмма Льюиса, показывающая углеродную основу атома алмаза

4.0 Заключение

Согласно первому закону тепловой динамики, энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Энергия (тепло) может только передаваться. Эффективная теплопередача требует эффективных теплопроводников. Материалы с высокой теплопроводностью имеют решающее значение при проектировании и разработке бесчисленного количества электроники и приборов, передающих тепло. Каждый теплопроводник обладает уникальными химическими и физическими свойствами, которые позволяют использовать нагревательные свойства с пользой.

Ссылки

Irimia R, Gottschling M (2016) Таксономическая ревизия Rochefortia Sw. (Ehretiaceae, Boraginales). Журнал данных о биоразнообразии 4: E7720 . (н.д.). https://doi.org/10.3897/BDJ.4.e7720.

Фликр. ¹ https://live.staticflickr.com/8227/8456671200_5c93da3b69_b.jpg

Множество способов использования серебра. (н.д.). Получено с ² https://geology.com/articles/uses-of-silver/

Электроника: самые основы. (2015, 21 апреля). Получено с ³ http://stuartparkinson.com/electronics-the-very-basics/

(без даты). Получено с https://www.cs.mcgill.ca/~rwest/wikispeedia/wpcd/wp/m/Material_properties_of_diamond.htm

Свойства и применение меди — электрическая, термическая, коррозионная стойкость, легирование и многое другое. (н.д.). Получено с https://copperalliance. org.uk/knowledge-base/education/education-resources/copper-properties-applications/

Алмазная структура. (1970, 01 января). Получено с ⁴ http://sciencesolve.blogspot.com/2015/09/diamond-structure.html

Автор: Каллиста Уилсон, младший технический писатель Thermtest

Какие керамические материалы обладают высокой теплопроводностью?

Теплопроводность керамических материалов играет важную роль в их применении. В определенном диапазоне повышение теплопроводности керамических материалов определенными методами улучшит их способность к теплопроводности, конвекции тепла и тепловому излучению, что еще больше расширит область их применения. Керамические материалы с высокой теплопроводностью в основном состоят из оксидов, нитридов, карбидов и боридов, таких как поликристаллическая алмазная керамика, нитрид алюминия, оксид бериллия, нитрид кремния и карбид кремния.

Поликристаллический алмаз (PCD)

Алмаз обладает высокой теплопроводностью. Теоретическое значение теплопроводности его монокристалла составляет 1642 Вт/м•К при комнатной температуре, а измеренное значение — 2000 Вт/м•К. Однако крупный монокристалл алмаза сложен в приготовлении и дорог. В процессе спекания поликристаллического алмаза часто добавляют вспомогательные вещества для спекания, чтобы усилить связь между алмазными порошками, чтобы получить керамику PCD с высокой теплопроводностью. Однако помощник по спеканию может катализировать карбонизацию алмазного порошка в процессе высокотемпературного спекания, так что поликристаллический алмаз больше не изолирован. Небольшой монокристалл алмаза часто добавляют в теплопроводную керамику в качестве армирующего материала для улучшения теплопроводности керамики.

Поликристаллическая алмазная керамика является конструкционным материалом и новым функциональным материалом. В настоящее время поликристаллическая алмазная керамика нашла широкое применение в областях современной промышленности, национальной обороны, высоких и новых технологий благодаря своим превосходным механическим, термическим, химическим, акустическим, оптическим и электрическим свойствам.

Карбид кремния

В настоящее время карбид кремния (SiC) является активным теплопроводным керамическим материалом в стране и за рубежом. Теоретическая теплопроводность карбида кремния очень высока и достигает 270 Вт/м•К. Однако, поскольку отношение поверхностной энергии к межфазной энергии керамических материалов SiC низкое, то есть энергия границ зерен высока, трудно производить высокочистую и плотную керамику SiC обычными методами спекания. Вспомогательные вещества для спекания должны быть добавлены при использовании обычных методов спекания, а температура спекания должна быть выше 2050 ℃. Однако такие условия спекания вызывают рост зерен SiC и значительно снижают механические свойства керамики SiC.

Керамика из карбида кремния широко используется в высокотемпературных подшипниках, пуленепробиваемых пластинах, соплах, деталях, устойчивых к высокотемпературной коррозии, а также в высокотемпературном и высокочастотном диапазоне деталей электронного оборудования и других областях.

Нитрид кремния

Керамика из нитрида кремния (Si3N4) привлекает все больше и больше внимания отечественных и зарубежных исследователей из-за ее превосходных свойств, таких как высокая ударная вязкость, высокая термостойкость, хорошая изоляция, коррозионная стойкость и нетоксичность. Прочность связи, средняя атомная масса и ангармонические колебания керамики из нитрида кремния аналогичны таковым у SiC. Теоретическая теплопроводность кристаллов нитрида кремния составляет 200 ~ 320 Вт/м•К. Однако, поскольку структура Si3N4 более сложна, чем структура нитрида алюминия (AlN), а рассеяние фононов больше, теплопроводность спеченной керамики Si3N4 в настоящем исследовании намного ниже, чем у монокристалла Si3N4, что также ограничивает его масштабное продвижение и применение.

Оксид бериллия

Оксид бериллия (ВеО) относится к гексагональной структуре вюрцита, с малым расстоянием между атомами Ве и О, малой средней атомной массой и плотным скоплением атомов, что соответствует условиям модели Слака с

высокая теплопроводность монокристалла. В 1971 году Слэк и Ауатерман проверили теплопроводность керамики BeO и крупного монокристалла BeO и подсчитали, что теплопроводность крупного монокристалла BeO может достигать 370 Вт/м•К. В настоящее время теплопроводность полученной керамики BeO может достигать 280 Вт/м•К, что в 10 раз выше, чем у керамики из оксида алюминия (Al2O3).

Оксид бериллия широко используется в аэрокосмической, ядерной энергетике, металлургии, электронной промышленности, ракетостроении и так далее. ВеО широко используется в качестве несущих деталей и узлов в схемах преобразования авионики, в авиационных и спутниковых системах связи; Керамика BeO обладает особенно высокой стойкостью к тепловому удару и может использоваться в дымоходах реактивных самолетов; пластина BeO с металлическим покрытием использована в системе управления приводом самолета; Ford и General Motors используют накладки из оксида бериллия с металлическим напылением в системах зажигания автомобилей; BeO обладают хорошей теплопроводностью и легко миниатюризируются, поэтому имеют широкие перспективы применения в лазерной области. Например, BeO-лазер имеет более высокую эффективность и большую выходную мощность, чем кварцевый лазер.

Нитрид алюминия (AlN)

Керамика из нитрида алюминия является наиболее широко используемым материалом с высокой теплопроводностью. Теоретическая теплопроводность монокристалла нитрида алюминия может достигать 3200 Вт/м•К. Однако из-за неизбежных примесей и дефектов в процессе спекания эти примеси создают различные дефекты в решетке AlN, которые уменьшают среднюю свободу фононов и, таким образом, сильно снижают их теплопроводность. В дополнение к влиянию дефектов решетки AlN на теплопроводность, размер зерна, морфология, а также содержание и распределение второй фазы на границах зерен также имеют важное влияние на теплопроводность керамики AlN. Чем больше размер зерна, тем больше средняя свобода фононов и тем выше теплопроводность спеченной керамики AlN.

Как типичный ковалентный комплекс, нитрид алюминия имеет высокую температуру плавления, низкий коэффициент атомной самодиффузии и высокую энергию границ зерен во время спекания.