Kaip vario šilumos sklaidytuvo sluoksnio oksidacija veikia ilgalaikę{0}} plokštelės veikimą?

Gražus rožinės spalvos varinis šilumos skirstytuvas šildymo plokštės viduje ilgai neišlieka blizgesio. Po tūkstančių valandų aukštesnėje temperatūroje paviršius pradeda palaipsniui tamsėti, nes ant metalo išauga ploni oksido sluoksniai. Šis pokytis paprastai nepastebimas kaip kosmetinis senėjimas. Tačiau tai šiek tiek pakeičia pačios plokštės šiluminį elgesį.

Ilgalaikėse diskusijose apie vario šilumos skirstytuvo oksidacijos plokštės veikimą kyla klausimas ne dėl to, ar vyksta oksidacija, o apie to oksido raidą laikui bėgant. Plonas stabilus oksido sluoksnis gali šiek tiek pagerinti šiluminės spinduliuotės savybes. Tačiau stora ir nestabili oksido skalė galiausiai gali pakenkti šilumos plitimo paviršiaus mechaniniam ir šiluminiam vientisumui.

Kodėl verta naudoti varį kaip šilumos skirstytuvą?
Varis vis dar yra viena geriausių inžinerinių medžiagų šiluminiam sklaidymui dėl labai didelio šilumos laidumo.

Standartiniai privalumai apima:

Greitas šoninis šilumos perdavimas

Žemesni temperatūros gradientai.

Geresnis plokštės paviršiaus homogeniškumas

Greita šiluminė reakcija.

Lengva apdirbti

Daugelis pramoninių kaitinimo plokščių turi vario sluoksnį, suklijuotą po aliuminio, plieno arba keramikos darbiniais paviršiais, kad vietinė šildytuvo galia būtų tolygiai paskirstyta plokštumos srityje.

Tačiau šiluminius vario pranašumus atsveria gerai{0}}žinomas apribojimas – oksidacija ore aukštoje temperatūroje.

Pirmieji vario oksidacijos žingsniai.
Kai varis yra veikiamas šilumos ir deguonies, jo paviršiuje susidaro oksidų junginiai.

Pagrindiniai oksidai yra:

Cu2O (vario oksidas)

Vario oksidas (CuO)

Plonas oksido sluoksnis
Iš pradžių oksido sluoksnis išlieka:

Super plonas

Tvirtai prilimpa

Gana stabilus

Tas pats ant paviršiaus

Oksidacijos procesas šiame etape paprastai yra vangus ir nuspėjamas.

Oksido antklodė iš pradžių yra draugas, bet gali būti klastingas lupantis priešas, jei bus paliktas laukinis.

Kaip ploni oksido sluoksniai veikia šiluminę charakteristiką
Tiesą sakant, nedidelę šiluminę naudą galima gauti nuo ankstyviausios oksidacijos stadijos.

Didesnis paviršiaus spinduliavimas
Naujasis metalinis varis turi santykinai mažą spinduliuotę, tai reiškia, kad jis taip pat neišspinduliuoja šilumos energijos.

Vario oksido paviršių spinduliuotės lygiai yra daug didesni. Didėjant oksido plėvelei:

Pagerėja šiluminės spinduliuotės efektyvumas

Radiacinis šilumos perdavimas šiek tiek pagerėja

Paviršiaus šilumos mainai yra efektyvesni

Šis didesnis spinduliavimo koeficientas gali turėti nedidelį poveikį šilumos perdavimui tarp vario skirstytuvo ir aplinkinių konstrukcinių elementų kaitinimo plokštės sąrankoje.

Laidumas yra vyraujantis šilumos perdavimo būdas daugumoje plokščių, nors esant aukštesnei temperatūrai radiacinis indėlis tampa vis svarbesnis.

Maža, bet tikra nauda
Poveikis paprastai yra mažas, o ne didelis, bet jį galima išmatuoti ilgalaikėse{0}}šilumos sistemose.

Kai kuriais atvejais stabilios oksido dangos buvimas gali net šiek tiek pagerinti šiluminį vienodumą, skatindamas veiksmingesnį infraraudonųjų spindulių energijos mainus uždarose plokštelių ertmėse.

Kodėl ekstremali oksidacija yra pavojinga
Problema iškyla, kai oksidacija vyksta ne tik gaminant ploną prilipusią dangą.

Oksidacijos greitis didėja didėjant temperatūrai.
Vario oksidacija nėra tiesinė ir temperatūra. Vietoj to, didėjant darbinei temperatūrai, atsako greitis didėja eksponentiškai.

Esant aukštai temperatūrai:

Oksido sluoksniai didėja greičiau

Padidėja skalės storis

struktūrinis stabilumas blogėja

Padidina šiluminio ciklo įtampą

Jie taip pat dar labiau pagreitėja dėl ilgalaikio{0}} poveikio.

Storojo oksido skalės kūrimas
Oksiduojant paviršius vystosi:

Oksido nuosėdos yra trapios.

nevienodo augimo regionai

Sąsajos grublėtos

Streso koncentracija lokalizuota

Ši storesnė apnaša yra mechaniškai nestabili, palyginti su plona pradine oksido danga.

Delaminacijos ir terminio plėtimosi neatitikimas
Viena iš svarbesnių ilgalaikių{0}}problemų yra vario ir oksido sluoksnio šiluminio plėtimosi charakteristikų skirtumas.

Diferencialinis išplėtimas
Kaitinamas ir vėsinamas, vario oksidas plečiasi ir traukiasi kitokiu tempu nei esantis vario substratas.

Pakartotinis terminis ciklas sukuria:

Sąsajų įtampos susidarymas

Įtrūkimai skalėje nedideli

Progresuojanti delaminacija

Paviršiaus pleiskanojimas

Galiausiai kai kurios oksido sluoksnio dalys gali visiškai atsiskirti nuo netauriojo metalo.

Oro tarpai ir šiluminė varža
Oksido dribsnių atsisluoksniavimas gali sukelti mikroskopines tuštumas arba oro tarpus tarp surištų šiluminių sluoksnių.

Šios spragos sukelia daugybę problemų:

Mažesnis šilumos laidumas

Lokalios izoliacinės zonos

Nevienodas šilumos paskirstymas

Karšti dėmės ant paviršiaus

Terminis nestabilumas

Net maži tarpai gali labai trukdyti šilumos perdavimui. Nejudantis oras yra labai prastas šilumos laidininkas.

Tiksliųjų plokščių sistemose šie vietiniai pertrūkiai gali turėti įtakos proceso vienodumui ir temperatūros tikslumui.

Mechaninės oksidų susidarymo pasekmės
Vario oksidas yra daug kietesnis nei vario metalas.

Abrazyvinės savybės
Laisvos oksido dalelės gali veikti kaip abrazyvinės priemaišos prie tvirtai sujungtų arba mechaniškai apkrautų kontaktų.

Galimas poveikis yra:

Dėvėkite slystančias jungtis

Paviršiaus įbrėžimas

Ryšio sluoksnio sunaikinimas

Padidėjusi tarša kietosiomis dalelėmis

Todėl oksido nuolaužos gali kelti šiluminio ir mechaninio jautrios terminio apdorojimo įrangos patikimumo problemą.

Oksidacijos kontrolės projektavimo strategijos
Ilgalaikis plokštelės patikimumas yra labai jautrus ne{0}}kontroliuojamam oksidų susidarymui.

Aliuminio kapsuliavimas
Įprastas būdas yra išlieti arba klijuoti vario barstytuvą aliuminio plokštės korpuse.

Ši procedūra:

Sumažėja deguonies kontaktas

Sąsaja stabili

Lėtina oksidacijos greitį

Pagerina mechaninę pagalbą

Užsandarinto vario sluoksnio oksidacija yra daug lėtesnė nei atviro paviršiaus.

Oksidacijai atsparių vario lydinių naudojimas
Kai kurie vario lydiniai, esant aukštai temperatūrai, yra geriau atsparūs nuosėdoms ir šiluminiam gedimui.

Šiuose lydiniuose gali būti tokių elementų kaip:

Chromas

Cirkonis

Nikelis

Sidabras.

Tinkamas lydinio parinkimas gali labai padidinti ilgalaikį sąsajos stabilumą.

Valdomos atmosferos veikimas
Tam tikrose sistemose oksidaciją taip pat galima sumažinti:

Inertinių dujų atmosfera

Darbas vakuume

Mažai-deguonies apdorojimo kameros

Šios aplinkybės stipriai riboja oksidų susidarymą apskritai.

Ilgalaikio patikimumo svarstymai
Oksidacijos įtaka plokštelės veikimui yra laipsniška ir kaupiama, o ne iš karto.

Ankstyvosios stadijos oksidacija gali būti gerybinė daugelį metų, tačiau laipsniškas masto formavimasis galiausiai sukels pastebimą žalą.

Įspėjamieji indikatoriai gali būti:

Didinamas šiluminis nehomogeniškumas

Lėtas įkaitimo elgesys

Karštosios vietos, kurios išlieka

Mažesnis šiluminis efektyvumas

Paviršiaus temperatūros pokytis

Degradacija vyksta lėtai ir gali būti nepastebėta, kol nepasiekiamos našumo ribos.

Santrauka
Natūralus aukštos temperatūros plokščių sistemų senėjimas apima uždelstą vario šilumos skirstytuvo oksidaciją. Plonų Cu2O ir CuO plėvelių sukūrimas ankstyvosiose stadijose gali šiek tiek pagerinti šiluminės spinduliuotės elgesį, padidindamas paviršiaus spinduliuotę. Taigi šis nuolatinis oksido sluoksnis gali suteikti nedidelį šiluminį pranašumą, o ne tiesioginį trūkumą.

Problema iškyla, kai dėl oksidacijos susidaro storas, trapus apnašas. Vario ir jo oksido sluoksnio šiluminio plėtimosi skirtumas galiausiai gali sukelti įtrūkimus, skilimą ir sluoksniuotumą. Kai prie suklijuotų paviršių susidaro izoliaciniai oro tarpai, šilumos sklaidos efektyvumas greitai pablogėja ir gali atsirasti vietinių karštų taškų.

Ilgalaikis patikimumas priklauso nuo oksidacijos valdymo naudojant pažangų inžinerinį dizainą, apimantį sandarias sąsajas, apsauginę kapsulę ir oksidacijai atsparius vario lydinius. Tikslas yra ne visiškai užkirsti kelią oksido susidarymui, o užtikrinti, kad oksidas būtų plonas, stabilus ir naudingas, o ne storas, nestabilus ir šilumą ardantis.

Sudėtingose ​​šiluminėse sistemose efektyviausias šilumos valdymas galiausiai priklauso nuo sąsajų, kurios yra mechaniškai ir termiškai stabilios po metų nepertraukiamo veikimo.