Che cos'è la conduttività termica
La conducibilità termica (k) quantifica la velocità con cui il calore fluisce attraverso un materiale per unità di superficie, per unità di gradiente di temperatura e per unità di spessore. In una dimensione appare nella legge di Fourier sulla conduzione del calore:Formula:
Q = -k × A × (ΔT / Δx)
Dove:
- Q = velocità di trasferimento del calore (W)
- k = conduttività termica (W/m-K)
- A = area della sezione trasversale (m²)
- ΔT = differenza di temperatura (K)
- Δx = spessore del materiale (m)
Nei metalli, la conduzione del calore è in gran parte affidata agli elettroni liberi piuttosto che alle vibrazioni del reticolo (fononi). Per questo motivo i metalli con un'elevata conducibilità elettrica (ad esempio rame e alluminio) tendono ad avere anche un'elevata conducibilità termica; le due proprietà sono correlate dalla legge di Wiedemann-Franz. La conducibilità termica deve essere considerata insieme alla densità e al calore specifico nei calcoli del trasferimento di calore transitorio, poiché la combinazione di queste proprietà determina la diffusività termica e la massa termica.
Conduttività termica dell'alluminio puro
L'alluminio puro è uno dei migliori conduttori termici disponibili tra i materiali tecnici comuni. I valori tipici di conducibilità termica per l'alluminio ad alta purezza disponibile in commercio sono compresi nell'intervallo 205-235 W/m-K a temperatura ambiente. Gradi rappresentativi:
1050 (commercialmente puro): ≈ 229 W/m-K
1100: ≈ 222 W/m-K
1200: ≈ 218 W/m-K
La struttura cristallina relativamente uniforme dell'alluminio puro e il basso contenuto di impurità consentono un efficiente trasporto di elettroni, spiegando questi valori elevati. I principali limiti dell'alluminio puro sono di natura meccanica: bassa resistenza alla trazione e scarsa resistenza all'usura rispetto a molte leghe strutturali. Di conseguenza, l'alluminio puro è comunemente usato dove le prestazioni termiche sono critiche ma il carico meccanico è basso (diffusori di calore, lamine, riflettori, sbarre).
Conduttività termica delle leghe di alluminio
Le leghe migliorano le proprietà meccaniche ma riducono la conduttività termica. Gli atomi delle leghe disturbano il reticolo metallico regolare, disperdendo gli elettroni di conduzione e i fononi; pertanto, le leghe scambiano alcune prestazioni termiche con la forza, la resistenza alla corrosione e la producibilità.
Serie comuni e intervalli tipici:
Serie 1xxx (Al quasi puro): massima conduttività, ~220-235 W/m-K.
Serie 3xxx (Al-Mn): ~160-210 W/m-K a seconda della lavorazione.
Serie 6xxx (Al-Mg-Si; ad esempio, 6061, 6063): in genere 150-210 W/m-K - la 6063 spesso si colloca nella fascia più alta se estrusa e priva di aggiunte di leghe pesanti. La 6061-T6 misura generalmente ~160-170 W/m-K.
Serie 7xxx (Al-Zn-Mg-Cu; ad esempio, 7075): conduttività inferiore, spesso ~120-140 W/m-K, ma elevata resistenza.
Tabella di confronto sintetica (valori tipici a temperatura ambiente):
Materiale / Lega | Conduttività termica tipica (W/m-K) | Applicazione tipica |
Al puro (1050) | 229 | Scambiatori di calore, riflettori |
6063 (estruso) | 200-210 | Dissipatori di calore, profili |
6061-T6 | 160-170 | Componenti strutturali con requisiti termici |
7075-T6 | 120-140 | Componenti aerospaziali ad alta resistenza |
Si noti che la letteratura pubblicata e le schede tecniche dei fornitori possono presentare piccole differenze dovute al metodo di prova, alle condizioni di tempra e alla temperatura di misurazione.
Fattori che influenzano la conducibilità termica dell'alluminio
La composizione della lega, la microstruttura, il processo di lavorazione e la temperatura influiscono sulla conduttività:
Elementi di lega: Rame, zinco, magnesio e silicio riducono la conduttività termica in misura variabile. Il rame e lo zinco hanno in genere un impatto negativo maggiore per percentuale di peso rispetto al magnesio e al silicio.
Metodo di produzione: I pezzi fusi spesso contengono microporosità e segregazione che riducono la conduttività effettiva. I processi di lavorazione (estrusione, laminazione, forgiatura) producono microstrutture più dense con migliori percorsi di conduzione.
Trattamento termico e tempra: Gli stati di precipitazione e la distribuzione delle fasi (T4, T5, T6, ecc.) alterano il comportamento di diffusione degli elettroni; precipitati troppo vecchi o grossolani possono ridurre la conduttività rispetto agli stati trattati in soluzione.
Dipendenza dalla temperatura: La conducibilità termica dell'alluminio diminuisce con l'aumentare della temperatura a causa dell'aumento della diffusione dei foni; i valori tipici a temperatura ambiente diminuiscono di una percentuale considerevole a diverse centinaia di gradi Celsius.
Impurità e inclusioni: I livelli di impurità e le inclusioni non metalliche disperdono i vettori di calore e riducono il k.
Stato della superficie: Le pellicole e i rivestimenti sottili di ossido modificano le caratteristiche di trasferimento del calore in superficie (resistenza di contatto), anche se il loro impatto sulla conduttività termica di massa è minimo.
Applicazioni che sfruttano la conducibilità termica dell'alluminio
L'alluminio viene applicato in diversi settori industriali in cui il trasferimento di calore efficiente e la massa ridotta sono prioritari:
Raffreddamento dell'elettronica: I dissipatori di calore estrusi o lavorati, gli alloggiamenti dei LED e le custodie per l'elettronica di potenza utilizzano spesso leghe 6063 o 6061 con una geometria ottimizzata delle alette per massimizzare la rimozione convettiva del calore e ridurre al minimo il peso.
HVAC e refrigerazione: Le alette/tubi di condensatori ed evaporatori beneficiano dell'equilibrio tra conduttività, resistenza alla corrosione e producibilità dell'alluminio.
Automotive: I componenti dei motori, i radiatori e gli alloggiamenti delle batterie dei veicoli elettrici sfruttano la conducibilità termica dell'alluminio, abbinata alle leghe strutturali, per gestire la temperatura nel rispetto dei vincoli di peso.
Aerospaziale: La gestione termica dell'avionica e delle superfici di controllo termico dei satelliti e degli aeromobili utilizza l'alluminio quando il risparmio di massa è essenziale.
Scambiatori di calore e apparecchiature di processo: Gli scambiatori di calore a piastre e brasati utilizzano spesso l'alluminio per ottenere un elevato trasferimento di calore per unità di massa.
Quando si progettano sistemi termici, gli ingegneri devono bilanciare la conduttività con i requisiti meccanici e di corrosione e selezionare la lega e la tempra appropriate.
Confronto con altri metalli
La conducibilità termica dell'alluminio è pari a circa 237 W/m-K. Tra i metalli comuni, l'alluminio si colloca subito dopo l'argento, il rame e l'oro, risultando uno dei migliori conduttori metallici di calore, circa 400 volte più conduttivo dell'acciaio inossidabile.
Confronto della conducibilità termica a temperatura ambiente (intervalli tipici):
Rame: ~390-400 W/m-K
Alluminio puro: ~205-235 W/m-K
Acciaio (carbonio): ~40-60 W/m-K (a seconda della composizione)
Titanio: ~15-22 W/m-K
Sebbene il rame conduca il calore circa due volte meglio dell'alluminio, le prestazioni termiche specifiche della massa dell'alluminio (conduttività termica divisa per la densità) spesso favoriscono l'alluminio nelle applicazioni sensibili al peso.
Ad esempio, la densità del rame (8,96 g/cm³) è circa 3,3 volte quella dell'alluminio (2,7 g/cm³); pertanto, per chilogrammo, l'alluminio può trasferire un calore paragonabile in molti contesti strutturali quando si utilizza l'ottimizzazione geometrica.
Il titanio e l'acciaio sono molto meno conduttivi su base volumetrica, il che li rende meno adatti alle applicazioni di dissipazione del calore, nonostante altri vantaggi meccanici.
| Metallo | Conduttività termica (W-m-¹-K-¹) |
|---|---|
| Argento | 428 |
| Rame | 401 |
| Oro | 314 |
| Alluminio | 235 |
| Sodio (solido) | 135 |
| Ottone | 109 |
| Nichel | 91 |
| Sodio (liquido) | 86 |
| Ferro | 67 |
| Acciaio, carbonio 1% | 43 |
| Torio (metallico) | 38 |
| Piombo | 35 |
| Uranio (metallico) | 27.6 |
| Zirconio | 22.6 |
| Lega di zirconio (1% Nb) | 18 |
| Acciaio inox | 14 |