Hiệu suất truyền nhiệt của vật liệu gốm rất quan trọng đối với việc sản xuất linh kiện gốm. Đó là khả năng tản nhiệt tổng thể của vật liệu gốm.
Hiệu suất truyền nhiệt của vật liệu gốm phụ thuộc và thay đổi theo một số tiêu chí như độ dẫn nhiệt, nhiệt dung riêng, nhiệt độ và điện trở tiếp xúc nhiệt.
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giải thích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt của vật liệu gốm. Chúng ta hãy bắt đầu.
Hiệu suất truyền nhiệt của vật liệu gốm là gì?
Hiệu suất truyền nhiệt của vật liệu gốm đo lường mức độ hiệu quả truyền nhiệt từ điểm này sang điểm khác. Nó được xác định bởi và liên quan chặt chẽ đến độ dẫn nhiệt của vật liệu, đồng thời chịu ảnh hưởng của một số yếu tố và điều kiện môi trường. Nó giúp xác định mức độ truyền nhiệt của vật liệu trong điều kiện sử dụng thực tế nhất định.
Các yếu tố khác nhau ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt của vật liệu gốm:
Gốm sứ không dẫn điện tốt như kim loại vì chúng không có electron tự do. Phonon (dao động mạng) là cơ chế truyền nhiệt chính của gốm sứ. Hiệu suất truyền nhiệt của vật liệu gốm sứ phụ thuộc vào một số yếu tố vật chất nội tại và một số yếu tố ngoại cảnh.
Sau đây là những yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt của vật liệu gốm.
-
Độ dẫn nhiệt: Độ dẫn nhiệt là yếu tố then chốt quyết định hiệu suất truyền nhiệt của vật liệu gốm. Đây là khả năng dẫn nhiệt của vật liệu, được ký hiệu là 'k' và được đo bằng Watt trên mét Kelvin (W/mK). Độ dẫn nhiệt cao hơn của vật liệu gốm đảm bảo hiệu suất truyền nhiệt tốt hơn trong một số điều kiện cụ thể.
Tuy nhiên, độ dẫn nhiệt của vật liệu gốm chịu ảnh hưởng của một số tính chất vật chất như:
-
Cấu trúc hóa học: Cấu trúc hóa học của vật liệu gốm là yếu tố mạnh nhất ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của nó. Nó bao gồm sự sắp xếp nguyên tử, độ bền liên kết và tính đối xứng phân tử của vật liệu. Cấu trúc hóa học quyết định hiệu suất truyền nhiệt giữa các phân tử của vật liệu.
Hầu hết vật liệu gốm bao gồm hai hoặc nhiều nguyên tố hóa học. Chúng là hợp chất của vật liệu kim loại và phi kim loại.
Vật liệu gốm có hai loại cấu trúc nguyên tử: tinh thể và phi tinh thể. Gốm tinh thể có liên kết cộng hóa trị mạnh mẽ bên trong mạng tinh thể, với cấu trúc trật tự. Sự sắp xếp này cho phép các phonon chuyển động tự do để truyền nhiệt hiệu quả.
Gốm phi tinh thể có cấu trúc hỗn loạn làm tăng sự tán xạ phonon và làm giảm độ dẫn nhiệt của gốm.
-
Kích thước hạt vật liệu: Kích thước hạt nguyên liệu thô là một yếu tố ảnh hưởng đáng kể đến độ dẫn nhiệt của gốm. Kích thước hạt ảnh hưởng đến sự tán xạ phonon, độ xốp và ranh giới hạt.
Nếu kích thước hạt của vật liệu gốm nhỏ hơn, ranh giới hạt sẽ lớn hơn. Ranh giới hạt càng lớn thì sự tán xạ phonon càng tăng và độ dẫn nhiệt càng giảm.
Ngược lại, các hạt lớn hơn có ít ranh giới hạt hơn, đảm bảo phonon di chuyển mượt mà trên khoảng cách xa hơn và dẫn đến độ dẫn nhiệt cao hơn.
Gốm có kích thước hạt nhỏ hơn có độ xốp cao hơn, tạo ra các túi khí. Các túi khí này hoạt động như chất cách nhiệt, làm giảm độ dẫn điện của vật liệu gốm.
Quá trình thiêu kết và làm đặc cũng bị ảnh hưởng bởi kích thước hạt, từ đó tác động đến khả năng dẫn nhiệt của gốm.
-
Độ xốp: Độ xốp là thể tích của các khoảng trống.
Độ xốp (%) = (Thể tích lỗ rỗng / Tổng thể tích) x 100.
Các khoảng trống bên trong gốm do độ xốp chứa đầy không khí. Do không khí và các thành phần khí có độ dẫn nhiệt thấp, sự hiện diện của không khí trong vật liệu gốm sẽ phá vỡ các kênh truyền nhiệt. Các kênh truyền nhiệt bị phá vỡ này làm giảm độ dẫn nhiệt.
Do đó, độ xốp cao hơn trong vật liệu gốm làm giảm dẫn nhiệt gốm. Quá trình thiêu kết thích hợp có thể làm giảm độ xốp và cải thiện khả năng dẫn nhiệt trong vật liệu gốm.
-
Tỉ trọng: Mật độ của vật liệu gốm có tác động đáng kể đến độ dẫn nhiệt. Nhìn chung, vật liệu có mật độ cao hơn có độ dẫn nhiệt cao.
Vật liệu đặc hơn có cấu trúc nguyên tử mạnh mẽ để đảm bảo truyền nhiệt hiệu quả qua các dao động mạng. Các hạt gốm đặc hơn được đóng gói chặt chẽ với nhau, giúp giảm điện trở nhiệt tại ranh giới hạt.
Vật liệu gốm mật độ cao cũng có ít lỗ rỗng và không gian trống hơn, giúp cải thiện khả năng truyền nhiệt. Sự tán xạ phonon của gốm đặc được giảm thiểu do ít lỗ rỗng và khuyết tật hơn, giúp cải thiện độ dẫn nhiệt. Do đó, gốm có mật độ cao hơn có độ dẫn nhiệt cao.
Ví dụ, gốm nhôm oxit mật độ cao (Al2O3) có độ dẫn nhiệt khoảng 30 W/mk, nhưng nhôm oxit xốp chỉ có độ dẫn nhiệt 2-5 W/mk.
-
Tạp chất: Các tạp chất trong gốm ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của chúng. Nó làm giảm cơ chế truyền nhiệt của vật liệu gốm. Các tạp chất như nguyên tử lạ làm tăng sự tán xạ phonon.
Sự tán xạ phonon tăng làm giảm đường đi tự do trung bình và giảm độ dẫn nhiệt.
Một số tạp chất khác tạo ra sự biến dạng mạng tinh thể, cản trở chuyển động của phonon. Ngoài ra, tạp chất còn làm tăng độ xốp trong gốm và tạo ra các túi khí hoạt động như chất cách nhiệt.
-
Phương pháp thiêu kết: Quá trình thiêu kết là một bước quan trọng trong sản xuất gốm sứ. Gốm sứ trải qua nhiều thay đổi vật lý và bên trong trong quá trình thiêu kết, làm thay đổi thành phần khoáng chất và cấu trúc vi mô của sản phẩm cuối cùng.
Quá trình thiêu kết được hoàn tất ở nhiệt độ, thời gian, quá trình gia nhiệt và làm nguội xác định. Các thông số thiêu kết này ảnh hưởng đến độ dẫn nhiệt của vật liệu gốm. Nhiệt độ thiêu kết cao hơn làm tăng độ dẫn nhiệt bằng cách giảm độ xốp và cải thiện tiếp xúc giữa các hạt.
2. Nhiệt dung riêng: Nhiệt dung riêng của gốm là năng lượng cần thiết để tăng nhiệt độ của 1 kg vật liệu gốm thêm 1℃. Công thức tính nhiệt dung riêng là Cv = Q / (ΔT × m).
Trong đó, Q = năng lượng nhiệt,
m = khối lượng
C = nhiệt dung riêng
ΔT = sự thay đổi nhiệt độ
Nhiệt dung riêng của vật liệu gốm ảnh hưởng đến khả năng hấp thụ, lưu trữ và giải phóng nhiệt, từ đó ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt. Vật liệu có nhiệt dung riêng cao hơn có thể lưu trữ nhiều năng lượng nhiệt hơn. Nó tạo ra hiệu ứng đệm để ngăn ngừa sự thay đổi nhiệt độ đột ngột và bảo vệ các thành phần gốm khỏi sốc nhiệt.
Ngược lại, nhiệt dung riêng thấp hơn làm tăng tốc độ phản ứng nhiệt của vật liệu. Những vật liệu có Cv thấp hơn sẽ nóng lên và nguội đi nhanh chóng.
Tuy nhiên, Cv thấp hơn có nghĩa là tản nhiệt ít hơn và hiệu suất truyền nhiệt thấp hơn.
3. Nhiệt độ môi trường:
Nhìn chung, hiệu suất truyền nhiệt của gốm sứ tăng theo nhiệt độ môi trường. Tuy nhiên, có một số ngoại lệ. Đối với một số vật liệu gốm tinh thể (như nhôm oxit, silic cacbua và nhôm nitrua), hiệu suất truyền nhiệt giảm khi nhiệt độ môi trường tăng.
Đối với một số loại gốm vô định hình khác (ví dụ như thủy tinh silica, sứ), hiệu suất truyền nhiệt vẫn gần như không đổi ở các nhiệt độ khác nhau.
4. Đặc điểm bề mặt: Đặc tính bề mặt của vật liệu gốm ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt thông qua việc tác động đến dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Bề mặt nhẵn giúp tăng độ dẫn nhiệt và hiệu suất truyền nhiệt bằng cách tăng diện tích tiếp xúc. Bề mặt nhám làm giảm độ dẫn nhiệt và hiệu suất truyền nhiệt do có nhiều khe hở.
5. Điện trở tiếp xúc nhiệt: Điện trở tiếp xúc nhiệt (TCR) là khả năng chống lại dòng nhiệt tại giao diện giữa hai vật liệu rắn được gắn chặt với nhau. Tại điểm tiếp xúc, bề mặt tiếp xúc sẽ xuất hiện độ nhám vi mô, khe hở không khí và tiếp xúc không hoàn hảo, tất cả được gọi chung là TCR. TCR làm giảm hiệu suất truyền nhiệt do các túi khí cách nhiệt tại điểm tiếp xúc của vật liệu.
6. Điều kiện môi trường: Các điều kiện môi trường khác nhau ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt của vật liệu gốm bằng cách tác động đến độ dẫn nhiệt và độ ổn định của chúng.
Nhiệt độ môi trường, độ ẩm, độ ẩm không khí, thành phần khí quyển, chu trình nhiệt, bức xạ và ứng suất cơ học là những yếu tố môi trường chính ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt của gốm sứ. Chúng ảnh hưởng đến hiệu quả quản lý nhiệt tổng thể.
7. Hình dạng và kích thước của các thành phần gốm: Hình dạng và kích thước của các thành phần gốm ảnh hưởng đến khả năng dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.
Tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích cao của các thành phần gốm mỏng và xốp giúp tăng cường tản nhiệt bằng cách tăng diện tích tiếp xúc bề mặt với môi trường xung quanh. Mặt khác, các thành phần cồng kềnh hơn với tỷ lệ diện tích bề mặt trên thể tích thấp hơn làm giảm hiệu suất truyền nhiệt do điện trở nhiệt tăng.
Hiệu suất truyền nhiệt của vật liệu gốm cũng bị ảnh hưởng bởi độ dày của các bộ phận được chế tạo. Thông thường, các bộ phận gốm mỏng hơn có thể truyền nhiệt nhanh hơn các bộ phận dày để tăng hiệu suất truyền nhiệt.
Hình dạng của sản phẩm gốm cũng ảnh hưởng đến vật liệu gốm. Bề mặt phẳng của sản phẩm đảm bảo phân phối nhiệt đồng đều, trong khi hình trụ và hình cầu giúp cải thiện khả năng giữ nhiệt.
Các điều kiện hình học này và tác động của chúng đến hiệu suất truyền nhiệt rất quan trọng để sản xuất các thành phần gốm kết cấu chịu nhiệt độ cao khác nhau.
Câu hỏi thường gặp
H. Những yếu tố nào ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt?
Trả lời: Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình truyền nhiệt của vật liệu là khối lượng, nhiệt dung riêng và sự thay đổi nhiệt độ.
H. Sự truyền nhiệt của gốm sứ là gì?
Trả lời: Truyền nhiệt trong gốm là quá trình nhiệt di chuyển bên trong vật liệu gốm. Truyền nhiệt gốm xảy ra thông qua dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ. Dẫn nhiệt là cơ chế truyền nhiệt chính trong gốm, được thực hiện thông qua dao động phonon.
H. Ba tác động chính của quá trình truyền nhiệt là gì?
Trả lời:
Các hiệu ứng truyền nhiệt chính là dẫn nhiệt đối với vật liệu rắn, đối lưu đối với chất lỏng và chất khí, và sóng điện từ hoặc bức xạ. Nhiệt được truyền ngẫu nhiên bằng ba phương pháp này dựa trên tính chất của vật liệu.
H. Vật liệu nào dẫn nhiệt tốt nhất?
Trả lời: Vật liệu dẫn nhiệt tốt nhất là kim cương (2000 – 2200 W/m•K) có độ dẫn nhiệt cao gấp 5 lần đồng.
H. Độ dẫn nhiệt của đồng là bao nhiêu?
Trả lời: Độ dẫn nhiệt của đồng là 398 W/m•K.
Phần kết luận: Hiệu suất truyền nhiệt là một trong những yếu tố quan trọng cần cân nhắc khi sản xuất các linh kiện gốm khác nhau. Độ dẫn nhiệt của gốm là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất truyền nhiệt tổng thể của chúng.
Bài viết này sẽ đề cập đến hầu hết các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất truyền nhiệt. Ngoài ra, nếu bạn có bất kỳ thắc mắc nào liên quan đến khả năng truyền nhiệt và độ dẫn nhiệt của vật liệu gốm, vui lòng để lại bình luận. Các chuyên gia của chúng tôi sẽ trả lời bạn sớm nhất có thể.