In thermische beheersystemen is de kernfunctie van een koellichaam het efficiënt geleiden en afvoeren van warmte. De prestaties ervan hangen grotendeels af van de thermofysische eigenschappen, het aanpassingsvermogen van de verwerking en de omgevingstolerantie van de gebruikte materialen. Momenteel omvatten de belangrijkste materialen in de industrie aluminiumlegeringen, koper, koper-aluminiumcomposieten en nieuwe composietmaterialen met een hoge thermische geleidbaarheid, elk met zijn eigen voordelen en geschikt voor verschillende toepassingsscenario's.
Aluminiumlegeringen zijn de meest gebruikelijke keuze voor lucht-gekoelde koellichamen vanwege hun lichte gewicht, gemiddelde thermische geleidbaarheid (ongeveer 160–230 W/m·K), goede verwerkbaarheid en beheersbare kosten. Extrusiegietprocessen kunnen massa-regelmatige vinstructuren produceren om te voldoen aan de warmteafvoerbehoeften van grootschalige- elektronische apparatuur en algemene industriële apparatuur. Na het anodiseren is de corrosieweerstand aanzienlijk verbeterd, waardoor het geschikt is voor omgevingen met normale temperaturen of matige vochtigheid. Zuiver aluminium heeft echter een lagere thermische geleidbaarheid dan koper, en de prestaties ervan zijn gevoelig voor knelpunten bij toepassingen met een hoge warmtefluxdichtheid.
Koper staat bekend om zijn uitstekende thermische geleidbaarheid (ongeveer 390 W/m·K), waardoor een snelle zijdelingse overdracht van warmte van geconcentreerde warmtebronnen naar grote -oppervlakken voor warmteafvoer mogelijk is. Het wordt veel gebruikt in krachtige-chips, elektronische vermogensmodules en vloeistofkoelplaten die een compact ontwerp vereisen. De dichtheid en kosten zijn echter hoger dan die van aluminium, wat resulteert in grotere gereedschapsslijtage tijdens de verwerking en strengere las- en afdichtingseisen. Om de thermische geleidbaarheid en het lichtgewicht ontwerp in evenwicht te brengen, maakt de industrie vaak gebruik van koper-aluminiumcomposietstructuren, zoals koperen basisplaten met aluminium vinnen, waardoor efficiënte warmtegeleiding in het contactgebied van de warmtebron wordt gegarandeerd, terwijl het totale gewicht en de productiekosten worden verlaagd.
Met de toenemende vraag naar thermisch beheer introduceren sommige high-end velden grafiet, diamantcomposietsubstraten of keramische matrixcomposieten met een hoge thermische geleidbaarheid. Grafiet vertoont een anisotrope thermische geleidbaarheid van meer dan 400 W/m·K in de vlakke richting, waardoor het geschikt is voor scenario's met beperkte ruimte- waarbij gerichte warmteafvoer vereist is. Diamantcomposietmaterialen kunnen een thermische geleidbaarheid van 600–2000 W/m·K bereiken, maar vanwege de verwerkingsmoeilijkheden en de kosten worden ze meestal gebruikt in de lucht- en ruimtevaart, de magnetron en andere gespecialiseerde gebieden. Keramische materialen zoals aluminiumnitride en siliciumcarbide hebben zowel een hoge thermische geleidbaarheid als uitstekende isolatie, waardoor ze geschikt zijn voor warmteafvoer bij hoog-spanningsisolatie of hoog- bedrijfsomstandigheden.
Materiaalkeuze vereist een uitgebreide overweging van warmtebelasting, ruimtebeperkingen, gewichtsbeperkingen, vereisten voor corrosieweerstand en economische efficiëntie. Consumentenelektronica geeft bijvoorbeeld de voorkeur aan lichtgewicht aluminium om de draagbaarheid te optimaliseren, industriële transmissie- en energieapparaten geven de voorkeur aan koper om continu hoge belastingen aan te kunnen, terwijl geavanceerde technologiegebieden nieuwe materialen onderzoeken met ultra-hoge thermische geleidbaarheid om de grenzen van warmtedissipatie te doorbreken. Het begrijpen van de kenmerken van verschillende materialen en hun compatibiliteitsgrenzen helpt bij het nauwkeurig afstemmen tijdens de ontwerpfase, het bereiken van een efficiënte en betrouwbare werking van het thermische beheersysteem en het bieden van een solide basis voor verbetering van de prestatie van apparatuur en industriële upgrades.
