تبلغ الموصلية الحرارية للألومنيوم النقي نحو 235–237 W/m·K قرب درجة حرارة الغرفة، أي ما يقارب 136–137 Btu/(h·ft·°F).
تنطبق القيمة الشائعة 237 W/m·K على الألومنيوم النقي. وتستخدم معظم الأجزاء الهندسية سبائك ذات موصلية أقل. فعلى سبيل المثال، تُذكر لسبيكة 6061-T6 قيمة شائعة تبلغ نحو 167 W/m·K عند 20 °C.
تعتمد قيمة التصميم الصحيحة على السبيكة والحالة ودرجة الحرارة وشكل المنتج.
الموصلية الحرارية للألومنيوم حسب السبيكة
يعرض الجدول قيمًا تمثيلية عند درجة حرارة الغرفة. وهي قيم مرجعية وليست حدودًا مضمونة للمادة.
| مادة الألومنيوم | الحالة أو المعالجة | الموصلية الحرارية، W/m·K | Btu/(h·ft·°F) | التفسير العملي |
|---|---|---|---|---|
| ألومنيوم نقي | قرب درجة حرارة الغرفة | 235–237 | 135.8–136.9 | أعلى قيمة مرجعية في الجدول |
| 1100 | ملاءمة تمثيلية من NIST عند 293 K | ≈212 | ≈122.5 | درجة تجارية عالية النقاء |
| 3003 | O | 193 | 111.5 | موصلية وقابلية تشكيل جيدتان |
| 5052 | O | 138 | 79.7 | سبيكة صفائح مقاومة للتآكل |
| 6061 | T6/T651 | 167 | 96.5 | سبيكة شائعة للهياكل والأجزاء المشغلة |
| 6063 | T6 | ≈200 | ≈115.6 | سبيكة بثق شائعة للمشتتات الحرارية |
| 7075 | T6 | 130 | 75.1 | مقاومة عالية وموصلية أقل |
فسّر الجدول مع مراعاة حدود المصادر التالية:
- تُحسب نتيجة 1100 من ملاءمة منحنى قديمة من NIST. وتغطي معادلتها نطاق 4 إلى 300 K.
- يشير NIST إلى أن صفحتي السبيكتين قديمتان ولم تعودا تُحدّثان. ويذكر خطأ ملاءمة قدره 2% لسبيكة 1100 و0.5% لسبيكة 6061-T6.
- تصف هذه النسب مدى توافق كل معادلة مع بيانات مصدرها. وهي ليست نطاقات لتباين المادة ولا سماحات تصميم.
استخدم الجدول للمقارنات والحسابات الأولية. وللتحقق النهائي، استخدم بيانات اختبار مادة معتمدة من المورد.
لماذا تختلف القيم المنشورة للألومنيوم؟
ينقل الألومنيوم النقي الحرارة أساسًا عبر الإلكترونات المتحركة. وتُحدث ذرات عناصر السبيكة اضطرابًا في الشبكة البلورية وتشتت هذه الإلكترونات.
يعتمد التأثير على كل عنصر وحالته. وتقلل ذرات السبيكة الذائبة الموصلية عادة بدرجة أكبر من الذرات المترسبة. لذلك يمكن للمعالجة الحرارية تغيير الموصلية دون تغيير تسمية السبيكة.
الحالة مهمة للسبب نفسه. تشير بيانات Kaiser لسبيكة 6061 إلى 180 W/m·K في الحالة O و167 W/m·K في الحالة T6/T651. وغالبًا توجد مفاضلة بين المقاومة الميكانيكية والموصلية.
ومع ذلك قد تختلف المصادر الصحيحة. تعطي معادلة NIST لسبيكة 6061-T6 نحو 154 W/m·K عند 293 K، بينما تذكر Kaiser قيمة 167 W/m·K عند 20 °C.
قد ينتج الفرق من مجموعات البيانات أو أشكال المنتجات أو افتراضات الاختبار. تعامل مع 154 و167 كحالة مقارنة بين مصدرين، لا كحدود لعدم اليقين.
استخدمهما فقط في تحليل حساسية أولي عندما لا تتوفر بيانات مطابقة لشكل المنتج. وينبغي أن تحدد بيانات المشروع المعتمدة حدود التصميم.
تعتمد الاستجابة لدرجة الحرارة على الدرجة. تتغير ملاءمة NIST لسبيكة 6061-T6 بدرجة كبيرة بين 77 و293 K، من نحو 84 إلى 154 W/m·K.
تتحرك ملاءمة NIST لسبيكة 1100 في الاتجاه المعاكس. فعبر النطاق نفسه تنخفض من نحو 290 W/m·K إلى 212 W/m·K.
تغطي هذه البيانات درجات الحرارة المبردة عميقًا حتى درجة حرارة الغرفة. وهي لا تتنبأ بالسلوك فوق درجة حرارة الغرفة.
تلخص مراجعة نقدية منشورة في 2025 منحنيات تعتمد على الدرجة عند درجات حرارة أعلى. استخدم مجموعة بيانات تعتمد على درجة الحرارة للسبيكة والحالة المحددتين.
الموصلية الحرارية والسعة الحرارية النوعية والانتشارية الحرارية
تجيب هذه الخصائص عن أسئلة حرارية مختلفة.
| الخاصية | الرمز والوحدة | ما الذي تصفه |
|---|---|---|
| الموصلية الحرارية | k, W/(m·K) | تدفق الحرارة الناتج عن تدرج درجة الحرارة |
| السعة الحرارية النوعية | cp, J/(kg·K) | الطاقة اللازمة لتغيير درجة حرارة المادة |
| الانتشارية الحرارية | α, m²/s | سرعة استجابة مجال درجة الحرارة |
تجمع الانتشارية الحرارية خصائص المادة الثلاث: α = k/(ρcp). ولا تعني الموصلية العالية تلقائيًا سعة حرارية عالية.
استخدم السعة الحرارية النوعية للألومنيوم لحساب الطاقة المخزنة أو التسخين العابر. واستخدم الموصلية لحساب تدفق حراري ثابت عبر هندسة معروفة.
كيفية حساب تدفق الحرارة عبر الألومنيوم
للتوصيل أحادي البعد في الحالة المستقرة، يكون قانون فورييه:
Q = k × A × ΔT / L
وتكون مقاومة التوصيل الحراري المكافئة:
Rcond = L / (k × A)
| الرمز | المعنى | وحدة SI |
|---|---|---|
Q | معدل انتقال الحرارة | W |
k | الموصلية الحرارية | W/(m·K) |
A | المساحة العمودية على تدفق الحرارة | m² |
ΔT | فرق درجة الحرارة | K |
L | طول مسار الحرارة | m |
تعرض ملاحظات MIT حول انتقال الحرارة العلاقة نفسها لجدار مستوٍ.
افترض لوحًا من 6061-T6 يغطي مصدر الحرارة فيه مساحة 25 × 25 mm. ويبلغ سُمك اللوح 5 mm وينقل 20 W.
باستخدام k = 167 W/(m·K):
Rcond = 0.005/(167 × 0.000625) = 0.0479 K/W
ΔT = 20 × 0.0479 = 0.96 K
لذلك يبلغ الهبوط المثالي في درجة الحرارة عبر الكتلة نحو 0.96 K. ومع الهندسة نفسها، يعطي الألومنيوم النقي نحو 0.68 K.
يستبعد هذا التقدير مقاومة الانتشار والواجهات والحمل الحراري والإشعاع والتسخين غير المنتظم. وقد تتجاوز هذه المساهمات مقاومة اللوح داخل الكتلة.
الألومنيوم مقابل النحاس في انتقال الحرارة
تبلغ موصلية النحاس نحو 400 W/m·K عند 295 K. أما الألومنيوم فأخف بكثير.
| القيد | النحاس | الألومنيوم |
|---|---|---|
| السُمك والمساحة نفسيهما | مقاومة توصيل أقل | مقاومة توصيل أعلى |
| الكتلة نفسها | حجم متاح أقل | حجم أكبر بنحو 3.3 مرة |
| ميزة تصنيع شائعة | انتشار ممتاز للحرارة | وزن منخفض وسهولة البثق |
يعرض جدول NIST المرجعي كثافة 8.96 g/cm³ للنحاس و2.70 g/cm³ للألومنيوم. وعند الهندسة نفسها، ينقل النحاس الحرارة عبر المادة الصلبة بكفاءة أكبر.
وعند الكتلة نفسها، تتغير مساحة التصميم. فقد يتيح الألومنيوم حجمًا أو مساحة سطح أو طول زعانف أكبر. وتعتمد النتيجة النهائية على الهندسة وتدفق الهواء والواجهات وقيود التصنيع.
لهذا تستخدم كثير من المشتتات زعانف من الألومنيوم مع قاعدة نحاسية أو أنبوب حراري. ويوزع التصميم على كل معدن الوظيفة التي يؤديها بصورة أفضل.
لمقارنة التكلفة، قارن مجموعات موردة تحقق الأداء الحراري نفسه. وأدرج كتلة المعدن وشكل الخام والمعالجة والتجميع والتشطيب والخدمات اللوجستية.
تجنب تطبيق نسبة ثابتة بين أسعار المعادن الخام. وإذا أضاف النحاس تكلفة في عرض السعر، فحدد كميًا تحسن درجة الحرارة أو الحيز أو الكتلة الذي يقدمه.
ما سبائك الألومنيوم المناسبة للأجزاء الحرارية الشائعة؟
استخدم هذا الجدول للاختيار الأولي. ومع ذلك، يجب التحقق من التصميم بالمحاكاة واختبار النماذج الأولية قبل بدء الإنتاج التسلسلي.
| الجزء الحراري | نقطة البداية | ما يجب التحقق منه قبل الاختيار |
|---|---|---|
| مشتت مبثوق مبرد بالهواء | 6063-T5 أو T6 | هندسة الزعانف والمقاومة والحالة والتشطيب |
| لوح تبريد أو قاعدة أو غلاف مشغل | 6061-T6 | تصميم القنوات والإحكام والتجميع والبيانات المطابقة لشكل الخام |
| مشعاع أو مبادل حراري مشكل | 3003 في الحالة المطلوبة | التشكيل واللحام بالنحاس والتآكل ونظام التكسية |
| غلاف مشكل أو مبادل معرض للتآكل | 5052 في الحالة المطلوبة | الموصلية الأقل وسُمك الجدار وعملية الوصل |
| هيكل حراري تعطي الأولوية فيه للمقاومة | 7075-T6 | التحقق مما إذا كانت زيادة المقاومة تبرر انخفاض الموصلية |
| موزع حرارة عالي الموصلية | 1100 أو ألومنيوم عالي النقاء | حدود المقاومة والوصل والتصنيع |
تذكر بيانات Hydro لسبيكة 6063 المشتتات الحرارية كتطبيق نموذجي. كما تربط إرشادات Hydro السبائك 3003 و3103 بالمبادلات الحرارية ومكونات HVACR.
يعتمد الاختيار النهائي دائمًا على الرسم والأحمال والبيئة والعملية وخصائص الخام المعتمدة.
ما الذي يغير الأداء الحراري لجزء فعلي؟
السبيكة والحالة
تنخفض الموصلية عندما تشتت الذرات الذائبة والعيوب الإلكترونات. ويمكن للتعتيق تغيير التوازن بين المذاب والرواسب. يشرح دليل الموقع لحالتي T5 وT6 هذه المسارات المعدنية.
شكل المنتج والمعالجة
قد تكون للألواح والمقاطع المبثوقة والمطروقات والمسبوكات بُنى مجهرية مختلفة. كما تقطع مسامية الصب مسارات الحرارة. استخدم، متى أمكن، بيانات تطابق الخام المورد.
الهندسة والواجهات
يؤثر السُمك ومساحة التلامس والاستواء ومادة الواجهة الحرارية في المقاومة. وتتحكم مساحة الزعانف وتدفق الهواء في الانتقال إلى المائع المحيط. فموصلية الكتلة ليست سوى بند واحد.
الأنودة والطلاءات
ينقل الأكسيد الأنودي الحرارة بدرجة أقل من ركيزة الألومنيوم. لذلك قد يضيف سطح ارتكاز مطلي مقاومة تلامس.
وقد يتصرف السطح المكشوف بصورة مختلفة. فالأنودة قد ترفع الانبعاثية وتحسن انتقال الحرارة بالإشعاع. وتزداد فائدتها عندما يمثل الإشعاع جزءًا مهمًا من التبريد.
أظهرت دراسة على مشتتات مبردة بالحمل الطبيعي أن النتيجة تعتمد على ظروف التشغيل. حدد في النموذج الحراري نوع الطلاء وسُمكه وحجب أسطح التلامس. ولمصطلحات التشطيب، راجع دليل الأنودة من النوع I وII وIII.
كيفية اختيار قيمة للمحاكاة أو التصميم
- حدد السبيكة والحالة بدقة.
- طابق القيمة مع درجة حرارة التشغيل.
- أكد شكل المنتج واتجاه المادة.
- أعطِ الأولوية لبيانات الجهات الحكومية أو المعايير أو صحائف بيانات المنتجين.
- تحقق مما إذا كانت القيمة مقاسة أم محسوبة.
- نفذ تحليلات حساسية باستخدام قيم منخفضة واسمية وعالية.
- تحقق من التجميعات الحرجة في ظروف حدودية واقعية.
يغطي معيار ASTM E1461-13(2022) قياس الانتشارية الحرارية بطريقة الوميض. ويمكن بعد ذلك حساب الموصلية من الكثافة والسعة الحرارية. وينبغي أن ترافق الطريقة وبيانات الإدخال القيمة المنشورة.
الخلاصة الرئيسية
استخدم 235–237 W/m·K فقط للألومنيوم النقي قرب درجة حرارة الغرفة. وبالنسبة إلى الأجزاء التجارية، استخدم بيانات تطابق شكل المنتج وحالته.
ثم نمذج الهندسة والواجهات وتدفق الهواء وحالة السطح بصورة منفصلة. أكد هذه المعلمات قبل تغيير السبيكة.
