Kinerja perpindahan panas dari bahan keramik sangat penting untuk pembuatan komponen keramik. Ini adalah kapasitas pembuangan panas keseluruhan dari bahan keramik.
Kinerja perpindahan panas bahan keramik bergantung pada dan berubah dengan beberapa kriteria seperti konduktivitas termal, kapasitas panas spesifik, suhu, dan resistansi kontak termal.
Dalam artikel ini, kami akan menjelaskan faktor-faktor yang memengaruhi kinerja perpindahan panas dari bahan keramik. Mari kita mulai.
Berapa Kinerja Perpindahan Panas dari Material Keramik?
Kinerja perpindahan panas dari bahan keramik mengukur seberapa efektif bahan tersebut dapat memindahkan panas dari satu titik ke titik lainnya. Kinerja ini ditentukan oleh dan terkait erat dengan konduktivitas termal bahan tersebut dan dipengaruhi oleh beberapa elemen dan kondisi lingkungan. Kinerja ini membantu mengidentifikasi seberapa baik bahan tersebut memindahkan panas dalam penggunaan praktis dalam kondisi tertentu.
Berbagai Faktor yang Mempengaruhi Kinerja Perpindahan Panas Bahan Keramik:
Keramik tidak memiliki konduktivitas listrik yang tinggi seperti logam karena tidak memiliki elektron bebas. Fonon (getaran kisi) merupakan mekanisme perpindahan panas utama keramik. Kinerja perpindahan panas bahan keramik bergantung pada beberapa faktor material intrinsik dan beberapa faktor ekstrinsik lingkungan.
Berikut ini adalah faktor utama yang memengaruhi kinerja perpindahan panas bahan keramik.
-
Konduktivitas termal: Konduktivitas termal merupakan faktor kunci yang berkontribusi terhadap kinerja perpindahan panas bahan keramik. Ini adalah kemampuan menghantarkan panas suatu bahan yang dilambangkan dengan 'k' dan diukur dalam Watt per meter-Kelvin (W/mK). Konduktivitas termal yang lebih tinggi dari bahan keramik memastikan kinerja perpindahan panas yang lebih baik pada beberapa kondisi tertentu.
Namun, konduktivitas termal bahan keramik dipengaruhi oleh beberapa sifat materialistik seperti:
-
Struktur Kimia: Struktur kimia bahan keramik merupakan faktor paling kuat yang memengaruhi konduktivitas termalnya. Struktur kimia menentukan susunan atom, kekuatan ikatan, dan simetri molekul bahan. Struktur kimia menentukan efisiensi perpindahan panas antara molekul bahan.
Sebagian besar material keramik terdiri dari dua atau lebih unsur kimia. Unsur-unsur tersebut merupakan gabungan dari material logam dan non-logam.
Bahan keramik memiliki dua jenis struktur atom, yaitu kristal dan nonkristal. Keramik kristal memiliki ikatan kovalen yang kuat dalam kisi kristal, yang memiliki struktur teratur. Susunan ini memungkinkan gerakan fonon bebas untuk mentransfer panas secara efisien.
Keramik nonkristalin memiliki struktur tidak teratur yang meningkatkan hamburan fonon dan mengurangi konduktivitas termal keramik.
-
Ukuran Partikel Material: Ukuran partikel bahan baku merupakan faktor lain yang memengaruhi konduktivitas panas keramik secara signifikan. Ukuran partikel memengaruhi hamburan fonon, porositas, dan batas butir.
Jika ukuran partikel bahan keramik menjadi lebih kecil, maka semakin banyak batas butir di dalamnya. Batas butir yang lebih tinggi meningkatkan hamburan fonon dan mengurangi konduktivitas termal.
Sebaliknya, partikel yang lebih besar memiliki batas butir yang lebih sedikit, yang memastikan perjalanan fonon yang lancar dalam jarak yang lebih jauh dan menghasilkan konduktivitas termal yang lebih tinggi.
Ukuran partikel keramik yang lebih kecil memiliki porositas yang lebih besar, sehingga menciptakan kantong udara. Kantong udara tersebut berfungsi sebagai isolator termal untuk mengurangi konduktivitas bahan keramik.
Proses sintering dan pemadatan juga dipengaruhi oleh ukuran partikel yang pada gilirannya memengaruhi konduktivitas panas keramik.
-
Porositas: Porositas adalah volume ruang kosong.
Porositas (%) = (Volume Rongga / Volume Total) x 100.
Ruang kosong di dalam keramik karena porositasnya penuh dengan udara. Karena udara dan unsur gas memiliki konduktivitas termal yang rendah, keberadaan udara dalam bahan keramik memecah saluran perpindahan panas. Saluran perpindahan panas yang rusak ini mengurangi konduktivitas termal.
Oleh karena itu, porositas yang lebih tinggi pada bahan keramik mengurangi konduktivitas termal keramikProses sintering yang tepat dapat mengurangi porositas dan meningkatkan konduksi panas pada bahan keramik.
-
Kepadatan: Kepadatan bahan keramik memiliki dampak yang signifikan terhadap konduktivitas termal. Secara umum, bahan dengan kepadatan lebih tinggi memiliki konduktivitas termal yang tinggi.
Material yang lebih padat memiliki struktur atom yang kuat untuk memastikan perpindahan panas yang efisien melalui getaran kisi. Butiran keramik yang lebih padat tersusun rapat, yang mengurangi resistansi termal pada batas butiran.
Material keramik dengan kepadatan tinggi juga memiliki lebih sedikit pori dan ruang hampa yang meningkatkan kapasitas perpindahan panasnya. Hamburan fonon pada keramik padat berkurang karena lebih sedikit pori dan cacat sehingga meningkatkan konduktivitas. Oleh karena itu, keramik dengan kepadatan lebih tinggi memiliki konduktivitas termal yang tinggi.
Misalnya, keramik alumina berdensitas tinggi (Al2O3) memiliki konduktivitas termal sekitar 30 W/mk, tetapi alumina berpori hanya memiliki konduktivitas termal 2-5 W/mk.
-
Kotoran: Kotoran pada keramik memengaruhi konduktivitas termalnya. Kotoran ini mengurangi mekanisme perpindahan panas pada material keramik. Kotoran seperti atom asing meningkatkan hamburan fonon.
Meningkatnya hamburan fonon mengurangi lintasan bebas rata-rata dan menurunkan konduktivitas termal.
Beberapa pengotor lainnya menciptakan distorsi kisi untuk menghalangi pergerakan fonon. Selain itu, pengotor meningkatkan porositas dalam keramik dan menciptakan kantong udara yang berfungsi sebagai isolator termal.
-
Metode Sintering: Proses sintering merupakan langkah penting dalam pembuatan keramik. Keramik mengalami beberapa perubahan fisik dan internal selama sintering, yang mengubah komposisi mineral dan struktur mikro produk akhir.
Proses sintering diselesaikan pada suhu, waktu, pemanasan, dan pendinginan tertentu. Parameter sintering ini memengaruhi konduktivitas termal bahan keramik. Suhu sintering yang lebih tinggi meningkatkan konduktivitas termal dengan mengurangi porositas dan meningkatkan kontak antarbutir.
2. Kapasitas Panas Spesifik: Kapasitas kalor jenis keramik adalah energi yang dibutuhkan untuk meningkatkan suhu 1 kg bahan keramik sebesar 1℃. Rumus untuk kapasitas kalor jenis adalah Cv = Q / (ΔT × m).
Dimana, Q = energi panas,
m = massa
C = kapasitas panas spesifik
ΔT = perubahan suhu
Kapasitas kalor jenis bahan keramik memengaruhi kapasitas penyerapan, penyimpanan, dan pelepasan kalor yang kemudian memengaruhi kinerja perpindahan kalor. Bahan dengan kapasitas kalor jenis yang lebih tinggi dapat menyimpan lebih banyak energi kalor. Ini menciptakan efek penyangga untuk mencegah perubahan suhu yang cepat dan melindungi komponen keramik dari guncangan termal.
Sebaliknya, kapasitas kalor jenis yang lebih rendah meningkatkan kecepatan respons panas bahan. Bahan-bahan dengan Cv yang lebih rendah ini memanas dan mendingin dengan cepat.
Namun, Cv yang lebih rendah berarti pembuangan panas yang lebih rendah dan kinerja perpindahan panas yang lebih rendah.
3. Suhu Sekitar:
Secara umum, kinerja perpindahan panas keramik meningkat seiring dengan meningkatnya suhu sekitar. Ada beberapa pengecualian. Untuk beberapa bahan keramik kristal (seperti alumina, silikon karbida, dan aluminium nitrida), kinerja perpindahan panas berkurang seiring dengan peningkatan suhu sekitar.
Untuk beberapa keramik amorf lainnya (misalnya kaca silika, porselen), kinerja perpindahan panas hampir konstan pada berbagai suhu.
4. Karakteristik Permukaan: Karakteristik permukaan bahan keramik memengaruhi kinerja perpindahan panas dengan memengaruhi konduksi, konveksi, dan radiasi. Permukaan yang halus meningkatkan konduktivitas termal dan efisiensi perpindahan panas dengan meningkatkan area kontak. Permukaan yang kasar menurunkan konduktivitas dan kinerja perpindahan panas karena lebih banyak celah udara.
5. Resistensi Kontak Termal: Resistansi kontak termal (TCR) adalah resistansi terhadap aliran panas pada antarmuka antara dua material padat yang saling menempel. Pada titik kontak antarmuka, terjadi kekasaran permukaan mikroskopis, celah udara, dan kontak tidak sempurna yang dianggap sebagai TCR. TCR mengurangi efisiensi perpindahan panas karena adanya kantong udara isolasi pada titik kontak material.
6. Kondisi Lingkungan: Kondisi lingkungan yang berbeda memengaruhi kinerja perpindahan panas bahan keramik dengan memengaruhi konduktivitas termal dan stabilitasnya.
Suhu sekitar, kelembapan, komposisi atmosfer, siklus termal, radiasi, dan tekanan mekanis merupakan elemen lingkungan utama yang memengaruhi kinerja perpindahan panas keramik. Semua itu memengaruhi efisiensi manajemen panas secara keseluruhan.
7. Geometri dan ukuran komponen keramik: Geometri dan ukuran komponen keramik memengaruhi konduksi, konveksi, dan radiasi.
Rasio luas permukaan terhadap volume yang tinggi dari komponen keramik tipis dan berpori meningkatkan pembuangan panas dengan meningkatkan kontak permukaan dengan lingkungan sekitar. Di sisi lain, komponen yang lebih besar dengan rasio luas permukaan terhadap volume yang lebih rendah mengurangi efisiensi perpindahan panas karena peningkatan resistansi termal.
Kinerja perpindahan panas dari bahan keramik juga dipengaruhi oleh ketebalan komponen yang dibuat. Biasanya, komponen keramik yang lebih tipis dapat mentransfer panas lebih cepat daripada komponen yang tebal untuk meningkatkan kinerja perpindahan panas.
Bentuk produk keramik juga memengaruhi bahan keramik. Permukaan produk yang datar memastikan distribusi panas yang merata dan bentuk silinder serta bulat meningkatkan retensi panas.
Kondisi geometris dan pengaruhnya terhadap kinerja perpindahan panas sangat penting untuk pembuatan berbagai komponen keramik struktural suhu tinggi.
Tanya Jawab Umum
T. Apa saja faktor yang memengaruhi perpindahan panas?
Jawaban: Faktor-faktor yang mempengaruhi perpindahan panas suatu bahan adalah massa, kapasitas panas spesifik, dan variasi suhu.
T. Apa perpindahan panas pada keramik?
Jawaban: Perpindahan panas pada keramik adalah proses perpindahan panas di dalam material keramik. Perpindahan panas pada keramik terjadi secara konduksi, konveksi, dan radiasi. Konduksi merupakan mekanisme perpindahan panas utama pada keramik, yang dilakukan melalui getaran fonon.
T. Apa sajakah tiga efek utama perpindahan panas?
Menjawab:
Efek perpindahan panas yang utama adalah konduksi untuk material padat, konveksi untuk cairan dan gas, serta gelombang elektromagnetik atau radiasi. Panas dipindahkan menggunakan ketiga metode ini secara acak berdasarkan sifat material.
T. Bahan apakah yang paling konduktif secara termal?
Menjawab: Bahan yang paling konduktif secara termal adalah berlian (2000 – 2200 W/m•K) yang memiliki konduktivitas 5 kali lebih besar daripada tembaga.
T. Berapakah konduktivitas termal tembaga?
Menjawab: Konduktivitas termal tembaga adalah 398 W/m•K.
Kesimpulan: Kinerja perpindahan panas merupakan salah satu pertimbangan penting dalam pembuatan berbagai komponen keramik. Konduktivitas termal keramik merupakan faktor terpenting yang sangat mengubah kinerja perpindahan panas secara keseluruhan.
Bagaimanapun, sebagian besar faktor yang memengaruhi kinerja perpindahan panas dibahas dalam artikel ini. Lebih jauh, jika Anda memiliki pertanyaan terkait perpindahan panas dan konduktivitas termal bahan keramik, tanyakan di bagian komentar. Pakar kami akan segera membalas Anda.