теплопроводность алюминия какая бывает

Теплопроводность алюминия — это способность алюминия проводить тепло за счет переноса энергии свободными электронами и, в меньшей степени, фононами; количественно выражается коэффициентом теплопроводности k (Вт/м·К), который для чистого алюминия при 20–25 °C обычно составляет 220–240 Вт/м·К, а для распространенных деформируемых и литейных сплавов — порядка 120–210 Вт/м·К в зависимости от состава, структуры и термического состояния.

Ключевые значения и диапазоны

Алюминий — один из лучших теплопроводников среди конструкционных металлов, уступающий в основном меди и серебру по абсолютному значению k, но выигрывающий по удельной теплопроводности (на единицу массы) и технологичности. На значения k существенно влияют чистота, легирование (растворенные элементы и выделения), пористость, текстура и температура.

Марка/серия	Тип материала	Состояние	Теплопроводность k при ~20 °C (Вт/м·К)	Электропроводность (% IACS)	Примечания и применение
Al 99,99% (4N)	Сверхчистый	Отожженный	230–240 (до 250 для 5N)	≈65–66	Референс для исследований, криогеника
1350 (электротех.)	Деформируемый, 1xxx	H19 и др.	220–235	61–63	Проводники, шины, высокие k и σ
1050A	Деформируемый, 1xxx	O/H	215–230	60–63	Теплообмен, отражатели
1100	Деформируемый, 1xxx	O/H	200–225	58–61	Аппаратостроение, листы
6063	Деформируемый, 6xxx	T5/T6	190–210	50–53	Профили радиаторов, экструдируемость
6061	Деформируемый, 6xxx	T6	150–170	38–44	Универсальные детали, корпуса
5083	Деформируемый, 5xxx	H116/H321	110–130	28–35	Судостроение, криогеника, коррозионная стойкость
2024	Деформируемый, 2xxx	T3/T4	120–140	28–33	Высокая прочность, ниже k из-за Cu
7075	Деформируемый, 7xxx	T6/T73	120–150	29–33	Силовые детали, компромисс по k
A356 (AlSi7Mg)	Литейный	F/T6	130–170	30–40	Радиаторы литьем, головки цилиндров
AlSi12	Литейный	F	120–150	25–35	Литье тонкостенное, ниже k из-за Si

Легирование почти всегда снижает теплопроводность алюминия: растворенные атомы (Mg, Si, Cu, Zn, Mn и др.), дисперсные выделения и границы зерен рассеивают носители тепла. Разница между состояниями Т4 и Т6 зачастую достигает 5–15%: упрочняющее старение увеличивает долю фаз, ухудшающих k.

Температурная зависимость и анизотропия

С повышением температуры теплопроводность алюминия снижается из‑за роста рассеяния электронов на фононах: для большинства сплавов падение к от ~20 °C до 200 °C составляет ориентировочно 10–30%. В криогенном диапазоне (77 K и ниже) k у высокочистого алюминия может возрастать кратно, что используется в криогенной технике 🌡️. У технических и упрочненных сплавов эффект выражен слабее, но тенденция сохраняется.

• Анизотропия k у прокатных полуфабрикатов невелика (обычно до нескольких процентов), если нет выраженной текстуры или слоистой структуры.
• Литейные сплавы с эвтектикой Si демонстрируют более низкий k и могут иметь локальные неоднородности из‑за дендритной структуры и пор.
• Термообработка (растворение/старение) меняет распределение фаз и дефектов, влияя на k через электронное и фононное рассеяние.

Методы измерения и связь с другими свойствами

Теплопроводность определяют прямыми и косвенными методами. На практике применяют: ASTM E1461 (лазерно‑вспышечный метод по тепловой диффузивности с последующим вычислением k), ASTM E1225 (осевой тепловой поток), ASTM C177/C518 (охраняемая горячая пластина/потокомер для низких k), ISO 22007 (серия по полимерам, часть методик применима) 🧪.

Полезные соотношения:

• Закон Видемана—Франца: k ≈ L · T · σ, где L — постоянная Лоренца, T — абсолютная температура, σ — электропроводность. Отсюда прослеживается качественная связь между электрической и теплопроводностью алюминия.
• Через тепловую диффузивность: k = α · ρ · c_p. Для типичных значений ρ ≈ 2700 кг/м³, c_p ≈ 900 Дж/(кг·К) и k ≈ 200 Вт/м·К получаем α ≈ 8×10⁻⁵ м²/с (около 80 мм²/с), что объясняет быструю откликную способность алюминиевых радиаторов.

Сравнение с другими материалами

• Медь: 385–400 Вт/м·К — выше k, но плотнее и дороже; удельная теплопроводность (на кг) близка к алюминию.
• Латунь/бронза: 100–160 Вт/м·К — ниже меди и часто сопоставимо с сплавами Al 6xxx.
• Стали: 15–60 Вт/м·К — на порядки ниже, что важно при подборе вставок и крепежа.
• Титан: 7–22 Вт/м·К — тепловой барьер по сравнению с Al, применяется как изолирующий элемент.
• Графит/ПГМ: до сотен и тысяч Вт/м·К по плоскости; сильно анизотропен 📈.
• Керамики: AlN 140–180, SiC 120–200 Вт/м·К — сравнимо со сплавами Al, но хрупкость и другая тепловая расширяемость.
• Полимеры: 0,2–0,4 Вт/м·К (обычные), наполненные композиты — до 5–20 Вт/м·К.

Промышленные применения и выбор сплава

Сочетание высокой теплопроводности, малой массы и технологичности делает алюминий материалом выбора для тепловых задач в машиностроении, электронике и энергетике 🏭. Подбор сплава зависит от компромисса между k, прочностью, коррозионной стойкостью и способностью к переработке.

1. Радиаторы и профили: 6063 — лидер по экструзии и гладкости поверхностей; 6061 — для силовых профилей и корпусов.
2. Теплообменники и кожухи: 1xxx (1050A, 1100) — когда критичны k и коррозионная стойкость, умеренная прочность допустима.
3. Автомотив: литейные AlSi (A356, AlSi12) — баланс литейности, геометрической свободы и k; термообработка T6 повышает прочность с умеренным снижением k.
4. Криогеника и шины: 1350, 1xxx — высокие k и σ полезны при малых потерях Джоуля.

Конструкторские советы для эффективного отвода тепла

• Поверхность важна не меньше материала: увеличивайте площадь (ребра, штифты) с учетом естественной/вынужденной конвекции. Оптимальный шаг ребер под естественную конвекцию обычно больше, чем под обдув.
• Минимизируйте тепловой путь: делайте основание толстым ровно настолько, чтобы выровнять температурное поле; излишняя толщина добавляет массу и сопротивление.
• Контактное сопротивление критично: используйте термоинтерфейсы (ТПК, пасты, PCM) тонким слоем и обеспечьте равномерное прижатие.
• Анодирование черное повышает эмиссионную способность поверхности (лучше излучение), но добавляет тонкий оксидный слой с низким k; для контактных площадок оставляйте металл чистым или удаляйте оксид локально.
• Комбинированные решения: медное пятно/вставка в основании улучшает локальный «спрединг» тепла при точечных источниках 🔧.

Факторы, ухудшающие теплопроводность на практике

• Поры, усадка, включения и грубая эвтектика в литье.
• Высокий процент легирующих элементов и упрочняющих фаз.
• Высокая температура эксплуатации (рост рассеяния), загрязнение и окисление контактных площадок.
• Недостаточное давление прижатия, неровности и перекосы в сборке.

Числовые ориентиры для инженерных оценок

Для быстрых расчетов часто достаточно принять: k(1xxx) ≈ 220 Вт/м·К; k(6xxx) ≈ 160–200 Вт/м·К; k(литых AlSi) ≈ 130–160 Вт/м·К. При росте температуры до ~150–200 °C уменьшайте эти оценки на 10–25%. Для грубой оценки теплового сопротивления сплошной пластины толщиной t и площади A используйте R_cond ≈ t/(k·A); не забывайте добавлять сопротивления контактов и конвекции. Эти простые правила помогают выбирать материал и геометрию на ранней стадии, а затем уточнять по данным конкретного производителя и испытаний.

---

FAQ по смежным темам

Чем теплопроводность отличается от теплоемкости и тепловой диффузивности?

Теплопроводность k показывает, насколько хорошо материал проводит тепловой поток при данном градиенте температуры. Теплоемкость (обычно берут массовую, c_p) описывает способность накапливать тепло при изменении температуры: высокий c_p означает, что материал требует больше энергии для нагрева на 1 градус. Тепловая диффузивность α = k/(ρ·c_p) связывает оба свойства и определяет скорость выравнивания температурных полей. Для алюминия c_p порядка 900 Дж/(кг·К), ρ ≈ 2700 кг/м³, что при k ~ 200 Вт/м·К дает α около 8×10⁻⁵ м²/с — очень быстрое распространение тепла. В инженерных задачах k отвечает за «проводку» тепла, c_p — за тепловую инерцию, а α — за динамику отклика при переходных процессах. Понимание различий помогает корректно выбирать материалы для радиаторов (нужно высокое k) или теплоаккумуляторов (важнее высокая плотность и c_p).

Что лучше для радиатора: алюминий или медь?

Медь обеспечивает более высокую теплопроводность (≈400 Вт/м·К), особенно полезную для «спрединга» от точечных источников тепла. Алюминий легче, дешевле, проще в экструзии и механической обработке, что делает его оптимальным для ребристых профилей и больших площадей. По удельной теплопроводности (на массу) алюминий сопоставим или лучше, что важно для авиации и портативной электроники. На практике часто применяют гибриды: медные теплораспределители или тепловые трубки в основании и алюминиевые ребра для конвекции. Разница в коэффициенте линейного расширения и электрохимическая совместимость требуют продуманной схемы соединения и защиты от коррозии. Если ограничений по массе и цене нет, медь даст меньшую температурную дельту; если важны габариты, масса и стоимость — алюминий обычно выигрывает. Для массовых изделий с умеренными тепловыми потоками правильно спроектированный алюминиевый радиатор обеспечивает требуемую эффективность с лучшей экономикой.

Как анодирование и покраска влияют на теплопроводность и тепловыделение?

Анодирование формирует оксидный слой на поверхности алюминия. Он тонкий, но теплопроводность оксида значительно ниже, чем у металла, поэтому на контактных поверхностях (пятнах сопряжения) лучше оставлять металл без оксида или удалять его локально. С другой стороны, черное анодирование резко увеличивает излучательную способность поверхности, улучшая излучение тепла при естественной конвекции и в вакууме. Для ребристых радиаторов выигрыш по излучению часто компенсирует небольшой добавочный сопротивление в тонком поверхностном слое. Покраска ведет себя подобно: повышает эмиссию, но может добавлять термическое сопротивление контакта, если нанесена на посадочные плоскости. Толстые декоративные покрытия в местах прижима следует избегать. В целом, анодируйте ребра для излучения, оставляйте чистый металл в зонах контакта.

Какие термоинтерфейсы использовать с алюминием и как снизить контактное сопротивление?

Идеальный интерфейс — тонкий, равномерный слой материала с высокой теплопроводностью и низкой вязкостью, заполняющий микронеровности. Для стационарных соединений с давлением подойдут пасты на силиконовой или синтетической основе с наполнителями (оксиды, нитриды, карбоны) и фазово‑изменяемые прокладки, которые «растекаются» при нагреве. При сборке с требованиями к чистоте и ремонту применяют электропроводные или изолирующие термопрокладки на полимерной основе; они толще и имеют более высокое сопротивление, но обеспечивают электрическую изоляцию. Графитовые и гибридные прокладки дают хороший компромисс между толщиной, стабильностью и k. Уменьшайте толщину интерфейса настолько, насколько позволяет ровность поверхностей и давление прижима. Равномерное усилие, чистота и обезжиривание поверхностей столь же важны, как и выбор материала. Не забывайте о старении паст и циклировании: периодическая проверка и возможная замена повышают надежность.

Имеет ли смысл полировать основание радиатора и как это соотносится с реальной теплопроводностью?

Полировка до зеркала снижает микрогеометрию и может уменьшить толщину слоя термоинтерфейса, но эффект заметен только при хорошей плоскостности и достаточном прижимном усилии. В большинстве случаев критичнее не блеск, а плоскостность и отсутствие волн и «седел». Слишком гладкая поверхность иногда ухудшает удержание пасты, что приводит к «сухим» пятнам и локальному росту теплового сопротивления. Оптимально стремиться к малой шероховатости (например, Ra ~ 0,4–0,8 мкм) и высокой плоскостности, а не к «зеркалу любой ценой». Реальная теплопроводность массы алюминия остается прежней; выигрывает только контакт. Грамотный выбор TIM и правильная сборка способны дать больший эффект, чем трудоемкая полировка.