Теплопровідність міді і її сплавів – плюси і мінуси
Висока теплопровідність міді та інші корисні характеристики стали однією з причин раннього освоєння цього металу людиною. І донині мідь та мідні сплави знаходять застосування майже у всіх областях нашого життя.
Мідні пластини
Трохи про теплопровідності
Під теплопровідністю фізики розуміють переміщення енергії в об’єкті від більш нагрітих найдрібніших частинок до менш нагрітих. Завдяки цьому процесу вирівнюється температура розглянутого предмета в цілому. Величина здатності проводити тепло характеризується коефіцієнтом теплопровідності. Цей параметр дорівнює кількості тепла, яке пропускає через себе матеріал товщиною 1 метр через площу поверхні 1 м2 протягом однієї секунди при одиничній різниці температур.
МатериалКоэффициент теплопровідності, Вт/(м*К)
| Срібло | Чотириста двадцять вісім |
| Мідь | Триста дев’яносто чотири |
| Алюміній | Двісті двадцять |
| Залізо | Сімдесят чотири |
| Сталь | Сорок п’ять |
| Свинець | Тридцять п’ять |
| Цегла | 0,77 |
Мідь володіє коефіцієнтом теплопровідності 394 Вт/(м*К) при температурі від 20 до 100 °С. Змагатися з нею може тільки срібло. А у сталі та заліза цей показник нижчий у 9 і 6 разів відповідно (див. таблицю). Варто відзначити, що теплопровідність виробів, виготовлених з міді, значною мірою залежить від домішок (втім, це стосується і інших металів). Наприклад, швидкість провідності тепла знижується, якщо в мідь потрапляють такі речовини, як:
- залізо;
- миш’як;
- кисень;
- селен;
- алюміній;
- сурма;
- фосфор;
- сірка.
Мідний дріт
Якщо додати до міді цинк, то вийде латунь, у якої коефіцієнт теплопровідності набагато нижче. У той же час додавання інших речовин мідь дозволяє істотно знизити вартість готових виробів і надати їм такі характеристики, як міцність і зносостійкість. Наприклад, для латуні характерні більш високі технологічні, механічні і антифрикційні властивості.
Оскільки для високої теплопровідності характерно швидким поширення енергії нагрівання по всьому предмету, мідь отримала широке застосування в системах теплообміну. На даний момент з неї виготовляють радіатори і трубки для холодильників, вакуумних установок і автомашин для швидкого відводу тепла. Також мідні елементи застосовують в опалювальних установках, але вже для обігріву.
Мідний радіатор опалення
Щоб підтримувати теплопровідність металу на високому рівні (а значить, робити роботу пристроїв з міді максимально ефективною), у всіх системах теплообміну використовують примусовий обдув вентиляторами. Таке рішення викликане тим, що при підвищенні температури середовища теплопровідність будь-якого матеріалу істотно знижується, адже тепловіддача сповільнюється.
Алюміній і мідь – що краще?
У алюмінію є один мінус у порівнянні з міддю: його теплопровідність в 1,5 рази менше, а саме 201-235 Вт/(м*К). Однак у порівнянні з іншими металами це досить високі значення. Алюміній так само, як і мідь, володіє високими антикорозійними властивостями. Крім того, він має такі переваги, як:
- мала щільність (питома вага в 3 рази менше, ніж у міді);
- низька вартість (у 3,5 рази менше, ніж у міді).
Алюмінієвий радіатор опалення
Завдяки простим розрахунками виходить, що алюмінієва деталь може виявитися дешевше мідної практично в 10 разів, адже вона важить набагато менше і виготовлена з більш дешевого матеріалу. Цей факт поряд з високою теплопровідністю дозволяє використовувати алюміній в якості матеріалу для посуду і харчової фольги для духових шаф. Головний недолік алюмінію полягає в тому, що він є більш м’яким, тому його можна використовувати тільки в складі сплавів (наприклад, дюралюмінію).
Для ефективного теплообміну важливу роль відіграє швидкість віддачі тепла в навколишнє середовище, і цьому активно сприяє охолодження радіаторів. В результаті менша теплопровідність алюмінію (щодо міді) нівелюється, а вага і вартість обладнання знижуються. Ці важливі плюси дозволяють алюмінію поступово витісняти мідь з використання в системах кондиціонування.
Використання міді в електроніці
У деяких галузях, наприклад, в радіопромисловості і електроніці, мідь є незамінною. Справа в тому, що цей метал за природою своєю дуже пластичний: його можна витягнути вкрай тонкий дріт (0,005 мм), а також створити інші специфічні струмопровідні елементи для електронних приладів. А висока теплопровідність дозволяє міді вкрай ефективно відводити неминуче виникає при роботі електроприладів тепло, що дуже важливо для сучасної високоточної, але в той же час компактної техніки.
Актуально використання міді в тих випадках, коли потрібно зробити наплавлення певної форми на сталеву деталь. При цьому застосовується шаблон з міді, який не з’єднується з привариваемым елементом. Використання алюмінію для цих цілей неможливо, так як він буде розплавлений або пропалений. Варто також згадати, що мідь здатна виконати роль катода при зварюванні вугільною дугою.
1 — шестірня, 2 — кріплення шаблонів, 3 — наплавляється зуб шестерні, 4 — мідні шаблони
Недоліки високої теплопровідності міді та її сплавів
Мідь володіє куди більш високою вартістю, ніж латунь або алюміній. При цьому у даного металу є свої недоліки, безпосередньо пов’язані з його достоїнствами. Висока теплопровідність призводить до необхідності створювати спеціальні умови під час різання, зварювання та пайки мідних елементів. Так як нагрівати мідні елементи потрібно набагато більш концентровано порівняно зі сталлю. Також часто вимагається попередній і супутній підігрів деталі.
Не варто забувати і про те, що мідні труби вимагають ретельної ізоляції в тому випадку, якщо з них складається магістраль або розведення системи опалення. Що призводить до збільшення вартості монтажу мережі в порівнянні з варіантами, коли застосовуються інші матеріали.
Приклад теплоізоляції мідних труб
Складнощі виникають і з газовим зварюванням міді: для цього процесу потрібні більш потужні пальники. При зварюванні металу товщиною 8-10 мм потрібні дві-три пальники. Поки одна пальник використовується для зварювання, іншими ведеться підігрів деталі. В цілому зварювальні роботи з міддю вимагають підвищених витрат на витратні матеріали.
Слід сказати і про необхідність використання спеціальних інструментів. Так, для різання латуні і бронзи товщиною до 15 см знадобиться різак, здатний працювати з высокохромистой сталлю товщиною в 30 див. Причому цього ж інструмента вистачить для роботи з чистою міддю товщиною всього лише в 5 див.
Плазмова різка міді
Можна підвищити теплопровідність міді?
Мідь широко використовується при створенні мікросхем електронних пристроїв і покликана відводити тепло від нагріваються електричним струмом деталей. При спробі збільшити швидкодію сучасних комп’ютерів розробники зіткнулися з проблемою охолодження процесорів і інших деталей. В якості одного з рішень застосовувався варіант розбиття процесора на кілька ядер. Однак даний спосіб боротьби з перегрівом себе вичерпав, і зараз потрібно шукати нові провідники з більш високою теплопровідністю та електропровідністю.
Одним з рішень цієї проблеми є нещодавно відкритий елемент графен. Завдяки покриттю з графена теплопровідність мідного елемента збільшується на 25%. Однак поки винахід знаходиться на рівні розробки.
