Теплопроводность чистого алюминия составляет 205–237 Вт/м·К, уступая среди распространённых металлов лишь серебру и меди. У различных марок сплавов этот показатель снижается примерно до 117–218 Вт/м·К. Однако лидерство в рейтинге — это еще не всё: на единицу массы алюминий проводит примерно в 1,4 раза больше тепла, чем медь, именно поэтому из него так часто изготавливают радиаторы, охлаждающие пластины и теплообменники. Выбор сводится к трём факторам: значению теплопроводности при рабочей температуре, соотношению прочности и теплопроводности, а также выбору сплава, подходящего для конкретного применения.
Что делает алюминий исключительным теплопроводителем
Металлы проводят тепло в основном за счет свободных электронов. Электроны, движущиеся по кристаллической решетке, переносят тепло от горячей стороны к холодной; чем меньше столкновений они испытывают, тем лучше проводит тепло материал. Чистый алюминий имеет однородную решетку и содержит очень мало примесей, поэтому электроны движутся практически беспрепятственно, и как его теплопроводность, так и электропроводность остаются высокими. Легирование изменяет эту картину: растворенные элементы выступают в качестве центров рассеяния, электроны сбиваются с курса, и проводимость снижается.
Как свободные электроны переносят тепло
Теплопроводность и электропроводность используют одни и те же свободные электроны, поэтому их показатели обычно изменяются синхронно. Чистый алюминий достигает значения, близкого к 237 Вт/м·К, что примерно соответствует 60% меди. Отсюда следует практическое правило: любое добавление, которое существенно ухудшает электропроводность алюминия, снижает его теплопроводность примерно в той же пропорции.
Теплопроводность и тепловая диффузия
Эти два показателя отвечают на разные вопросы. Теплопроводность (k) показывает, какой объем тепла может протекать в установившемся режиме — именно это значение используется при расчете размеров радиатора. Теплодиффузионная способность (α) показывает, как быстро распространяется изменение температуры — равномерно ли нагревается деталь или в ней возникают «горячие точки». Значение α для алюминия составляет около 91 мм²/с, что на порядок выше, чем у нержавеющей стали, поэтому алюминиевые радиаторы быстро нагреваются и сохраняют равномерную температуру. Для расчета стационарного режима используйте k; учитывайте α, когда важны время нагрева или наличие горячих точек.
Значения теплопроводности по сериям алюминиевых сплавов
Приведенные ниже значения представляют собой результаты измерений в стационарном режиме при комнатной температуре (20–25 °C). Единица измерения Вт/м·К указывает, сколько ватт проходит через куб материала объемом 1 м³ на каждый градус перепада температур; следует учитывать, что между техническими паспортами поставщиков и данными по конкретному размеру и классу материала возможны отклонения в пределах нескольких Вт/м·К.
Справочная таблица теплопроводности алюминиевых сплавов
| Материал | Теплопроводность (Вт/м·К) | Примечания |
|---|---|---|
| Чистый алюминий (серия 1xxx) | 222–237 | 1050 ≈ 229, 1100 ≈ 222; наилучшая проводимость, наименьшая прочность |
| 3003 (3xxx) | 163–193 | Сплав марганца; умеренная прочность при незначительной потере |
| 5052/5083 (5xxx) | 117–200 | Проводимость снижается по мере увеличения содержания магния; хорошая коррозионная стойкость |
| 6061-T6 (серия 6xxx) | ≈ 167 | Обычное соотношение силы и проводимости |
| 6063-T5 (серия 6xxx) | 200–209 | Типичные ребра радиатора, изготовленные методом экструзии |
| 7075 (7xxx) | 125–157 | Высокая прочность, характерная для аэрокосмической отрасли, при максимальных затратах на обеспечение проводимости |
| Чистая медь (эталон) | 385–401 | Примерно на 60–70% выше, чем у алюминия |
| Нержавеющая сталь 304 (справочная информация) | 14–25 | Всего от 1/10 до 1/15 алюминия |
Серия 1xxx обладает наилучшей теплопроводностью, но слишком мягкая для изготовления конструкционных деталей; серия 6xxx имеет меньшую теплопроводность, но способна выдерживать нагрузку и одновременно рассеивать тепло, поэтому именно она преобладает в реальных конструкциях радиаторов.
Как температура влияет на показатели
Температура — это показатель, который легче всего упустить из виду. Коэффициент теплопроводности чистого алюминия колеблется от примерно 236 Вт/м·К при 0 °C до 220 при 527 °C: сначала он растёт, а затем падает, после чего при плавлении резко снижается до примерно 92 Вт/м·К. Данные при комнатной температуре отражают только стационарные значения при 20–25 °C, поэтому следует использовать значение, соответствующее вашей фактической рабочей температуре.
Факторы, влияющие на теплопроводность алюминиевых сплавов
Состав сплава и термическая обработка определяют номинальное значение для данной марки; рабочая температура определяет, какое именно значение следует применять. Благодаря легированию коэффициент теплопроводности чистого алюминия (205–237 Вт/м·К) варьируется в пределах диапазонов, характерных для данной серии сплавов, а термическая обработка изменяет это значение в пределах одной марки.
Как легирующие элементы влияют на теплопроводность
Легирующие элементы повышают прочность, коррозионную стойкость или технологичность — и каждый из них в той или иной степени снижает проводимость:
- Медь: значительное повышение прочности за счет снижения фактической проводимости; основа аэрокосмических сплавов серии 2xxx
- Кремний: обладает хорошей текучестью при литье под давлением, но заметно снижает проводимость в растворе
- Магний: коррозионная стойкость и свариваемость; более высокое содержание магнезия приводит к увеличению теплопроводности, при этом марки серии 5xxx с высоким содержанием магнезия теряют больше всего
- Цинк: источник прочности серии 7xxx и самое значительное снижение электропроводности
Этот эффект поддается количественной оценке: коэффициент теплопроводности чистого алюминия составляет около 237 Вт/м·К, а сплава 6061-T6 — около 167, разница составляет примерно 40%.
Как термообработка влияет на теплопроводность
Коэффициент теплопроводности для одной и той же марки зависит от состояния: для 6061-O он составляет около 180 Вт/м·К, а для 6061-T6 — около 167. O обозначает отжигаемое состояние; T4/T5/T6/T7 соответствуют различным видам термической обработки (растворение и старение), а получающееся в результате состояние осаждения влияет на проводимость. Всегда сравнивайте технические характеристики с указанием суффикса, обозначающего состояние.
Алюминий по сравнению с медью, сталью и другими теплопроводниками
Среди распространенных металлов лидирует серебро с коэффициентом теплопроводности около 428 Вт/м·К, у меди этот показатель составляет 385–401, у алюминия — 205–237, а у нержавеющей стали марки 304 — всего 14–25.
Когда медь превосходит алюминий
В установившемся режиме медь проводит тепло примерно в 2,3 раза лучше, чем алюминий 6061, что делает её оптимальным решением при высокой удельной мощности, в условиях ограниченного пространства и при высоком тепловом потоке — для изготовления тонких теплоотводов, шин и опорных пластин IGBT. Недостатком является гораздо более высокая плотность по сравнению с алюминием и более высокая стоимость материала. При сочетании этих двух материалов обычно создается гибридная конструкция, состоящая из алюминиевого корпуса с медными трубками или вставками: медь обеспечивает путь отвода высокого теплового потока, а алюминий — лёгкость конструкции.
Нержавеющая сталь марки 304 играет совершенно иную роль: её проводимость составляет всего от 1/10 до 1/15 от проводимости алюминия, и сталь выбирается из соображений коррозионной стойкости и прочности, а не теплопроводности.
С поправкой на вес: победа алюминия
Если разделить проводимость на плотность, картина меняется на противоположную. Для конструкций, в которых важны вес и стоимость, таких как радиаторы и охлаждающие пластины, именно это сравнение имеет решающее значение:
| Материал | Теплопроводность (Вт/м·К) | Плотность (г/см³) | k/ρ (Вт·см³/(м·К·г)) | Роль |
|---|---|---|---|---|
| Чистый алюминий | 205–237 | 2.70 | 62–76 | Радиаторы, охлаждающие пластины, теплообменники; преимущество в весе |
| Медь | 385–401 | 8.96 | 43–45 | Приложения с высокой мощностью и ограниченным пространством |
| Углеродистая сталь | 45–58 | 7.85 | 5,7–7,4 | Недорогие промышленные сооружения |
| 304 нержавеющая сталь | 14–25 | 8.00 | 1,9–3,8 | Коррозионная стойкость и прочность |
| Титан | ≈ 22 | 4.51 | 4.9 | Снижение веса в аэрокосмической отрасли |
Удельная проводимость алюминия примерно в 1,4 раза выше, чем у меди (62–76 против 43–45).
Промышленные применения, основанные на тепловых свойствах алюминия
Тепловые характеристики алюминия находят применение в таких областях, как теплообмен и охлаждение, электроника и электротехника, а также автомобилестроение и аэрокосмическая отрасль; охлаждение электронных устройств является крупнейшей категорией его применения.
Теплообменники и системы охлаждения
Теплообменники с пластинчатыми и трубчатыми ребрами из алюминия широко применяются в системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, холодильной технике и промышленной переработке. Паяные алюминиевые радиаторы из сплавов 3003/4343 в значительной степени вытеснили медно-латунные конструкции благодаря весу, на 40–50% меньшему, а сплавы серии 3xxx обеспечивают оптимальный баланс между формуемостью при пайке и коррозионной стойкостью для массового производства теплообменных сердечников.
Электроника и электротехника
Охлаждение электронных устройств — крупнейшая категория применения алюминия: светодиодные устройства, серверы, автомобильная электроника и промышленное оборудование, где обычно используется сплав 6063-T5; в электрических шинах применяется сплав 6101-T6. Алюминий выигрывает по геометрии экструдированных ребер и удельной теплопроводности (k/ρ, превышающей показатели меди; см. сравнительную таблицу), однако общее сопротивление радиатора в равной степени определяется характеристиками граничного слоя, площадью ребер и воздушным потоком, а не только теплопроводностью материала; в конструкциях высокой мощности часто используются тепловые трубки или медные вставки.
Автомобилестроение и авиакосмическая промышленность
В автомобильной электронике и системах терморегулирования аккумуляторов электромобилей используются алюминиевые холодные пластины из сплавов 6061-T6 и 6063-T6, обеспечивающих оптимальный баланс прочности. В аэрокосмической отрасли в теплообменниках для снижения веса используется алюминий 2024-T3 и 7075-T6, что достигается за счет снижения теплопроводности.
Заключение
Последовательность выбора проста: сначала определите рабочую температуру и тепловой поток, затем — механические требования, а затем выберите марку материала с учетом характеристик и стоимости. Определите теплопроводность при фактической рабочей температуре; при высокой мощности рассмотрите варианты из меди или медно-алюминиевых гибридов; используйте сплав 6061-T6, если деталь должна нести нагрузку, а сплавы 6063-T5 или 1100 — для чисто теплоотводящих элементов; избегайте нанесения толстых покрытий на тепловые пути и сравнивайте технические паспорта с указанием суффиксов состояния.
Если ваша тепловая деталь должна быть литые или обработанные на станке Если речь идет о крупном заказе, пришлите нам чертеж — мы просчитаем качество и стоимость с учетом ваших конкретных требований.
Часто задаваемые вопросы
Какова теплопроводность алюминия?
Коэффициент теплопроводности чистого алюминия составляет 205–237 Вт/м·К; у обычных сплавов этот показатель варьируется от примерно 117 до 218 Вт/м·К в зависимости от марки и состояния.
Какова теплопроводность алюминия марки 6061?
У коэффициента теплопроводности 6061-T6 составляет около 167 Вт/м·К; у 6063-T5 — около 200–209 Вт/м·К.
Что лучше проводит тепло — алюминий или медь?
Медь в установившемся режиме проводит на 60–70% больше тока, но на единицу массы алюминий рассеивает примерно в 1,4 раза больше тепла.
Что лучше проводит тепло: алюминий или нержавеющая сталь?
Алюминий проводит тепло в 10–15 раз лучше, чем нержавеющая сталь марки 304 (205–237 против 14–25 Вт/м·К); нержавеющую сталь выбирают из-за её коррозионной стойкости и прочности, а не из-за теплопроводности.
Почему алюминиевые сплавы проводят тепло хуже, чем чистый алюминий?
Легирующие элементы растворяются в кристаллической решетке и становятся центрами рассеяния, сокращая среднюю длину свободного пробега свободных электронов. В серии 1xxx этот показатель составляет 222–237 Вт/м·К; в серии 7xxx он снижается до 125–157 Вт/м·К.
