Теплопровідність міді та її сплавів - плюси і мінуси
Мідь має коефіцієнт теплопровідності 394 Вт / (м * К) при температурі від 20 до 100 ° С. Змагатися з нею може тільки срібло. А у сталі і заліза цей показник нижчий у 9 і 6 разів відповідно (див. Таблицю). Варто відзначити, що теплопровідність виробів, виготовлених з міді, в значній мірі залежить від домішок (втім, це стосується і інших металів). Наприклад, швидкість провідності тепла знижується, якщо в мідь потрапляють такі речовини, як:
Якщо додати до міді цинк, то вийде латунь, у якій коефіцієнт теплопровідності набагато нижче. У той же час додавання інших речовин в мідь дозволяє істотно знизити вартість готових виробів і надати їм такі характеристики, як міцність і зносостійкість. Наприклад, для латуні характерні більш високі технологічні, механічні та антифрикційні властивості.
Оскільки для високої теплопровідності характерно швидким поширення енергії нагріву 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 відведення 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 ефективної), у всіх системах теплообміну використовують примусове обдування 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 в 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 цього активно сприяє обдув 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 та електроніці, мідь є незамінною. Справа в тому, що цей метал за своєю природою 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 наплавку певної форми на сталеву деталь. При цьому застосовується шаблон з міді, яка не з'єднується з приварюється 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 вугільної дугою.
1 - шестерня, 2 - кріплення шаблонів, 3 - наплавляється зуб шестерні, 4 - мідні шаблони
Недоліки високій теплопровідності міді і її сплавів
Мідь має 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 більше концентровано в порівнянні зі сталлю. Також часто необхідне попереднє і супутній підігрів деталі.
Не варто забувати і про те, що мідні труби вимагають ретельної ізоляції в тому випадку, якщо з них полягає магістраль або розводка 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 будуть потрібні більш потужні пальники. При зварюванні металу товщиною 8-10 мм потрібні дві-три пальники. Поки один 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 високохромистого сталлю товщиною в 30 см. Причому цього ж інструмента вистачить для роботи з чистою міддю товщиною всього лише в 5 см.
Плазмова різка міді
Чи можна підвищити теплопровідність міді?
Мідь широко використовується при створенні мікросхем електронних пристроїв і покликана відводити тепло від нагрівальних 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 варіанти розбиття процесора на кілька ядер. Однак даний спосіб боротьби з перегрівом себе вичерпав, і зараз потрібно шукати нові провідники з більш високою теплопровідністю і 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.