Soojusjuhtimise valdkonnas on "soojusjuhtivus" vaieldamatult kõige sagedamini mainitud ja kõige kergemini liialdatav parameeter. Kui materjal on märgistatud "kõrge soojusjuhtivusega", eeldatakse sageli, et sellel on vaikimisi suurepärane soojuse hajumise võime. Päris-maailma insenerirakenduste puhul on olukord aga palju keerulisem.
Kõigepealt tuleb selgitada põhimõistet: soojusjuhtivus on materjali põhiomadus, samas kui soojuse hajumine on süsteemi{0}}tasandi piiriprobleem. Soojusjuhtivus kirjeldab, kui kiiresti soojust materjalis endas üle kandub, samas kui soojuse hajumine sõltub sellest, kas soojust saab materjali pinnalt tõhusalt eemaldada ja ümbritsevasse keskkonda eraldada. Isegi kui materjalil on erakordne soojusjuhtivus, kui selle pinnale jõudvat soojust ei saa kiiresti üle piiri välja ajada, on lõpptulemuseks samaaegne temperatuuri tõus nii materjalis kui ka kogu süsteemis.
Just sel põhjusel tähendab "kiire soojusjuhtivus" paljudes rakenduste stsenaariumides sageli ainult seda, et temperatuuri ühtlus saavutatakse kiiremini,-kuid see ei tähenda tingimata süsteemi madalamaid temperatuure. Termilise liidese materjali tehnilise väärtuse tõeliseks mõistmiseks tuleb pöörata tähelepanu mitmele täiendavale kriitilisele näitajale.
01 Erisoojusmaht ja termiline difusioon
Seda, kas materjal sobib soojuse hajutamiseks, ei määra ainult soojusjuhtivus; erisoojusmaht ja termiline difusioon on võrdselt olulised tegurid, mida ei saa tähelepanuta jätta.
Erisoojusvõimsus viitab soojushulgale, mis on vajalik materjali massiühiku temperatuuri tõstmiseks 1 kraadi võrra. Madala erisoojusmahuga materjalid kogevad väikese soojushulga neelamisel kiiret temperatuuritõusu ja neil puudub võime "soojust salvestada ja puhvri temperatuuri tõus". Vastupidiselt, vahelduvate soojusallikate puhul, mis hõlmavad käivitus-seiskamistsüklit, impulsse või koormuse kõikumisi, võivad suure erisoojusmahuga materjalid sageli toimida tõhusama "termilise puhvri reservuaarina".
Termiline difusioon on kõikehõlmav näitaja, mis kirjeldab materjali võimet saavutada temperatuuri ühtlust kuumutamis- või jahutamisprotsesside ajal. See peegeldab sisuliselt kiirust, millega soojus levib läbi materjali. Soojusdifuusioon määratakse soojusjuhtivuse, tiheduse ja erisoojusmahuga, väljendatuna järgmiselt:
Soojusdifuusioon=Soojusjuhtivus / (tihedus × erisoojusmaht) , ühikutega m²/s.
Võrreldes ainuüksi soojusjuhtivusega, on soojuse difusioonil ajutise soojuse hajumise käitumise kirjeldamisel suurem tehniline tähtsus. Suurem termiline difusioon tähendab, et materjal suudab soojust kiiremini juhtida ja vältida energia akumuleerumisest tingitud teravaid kohalikke temperatuuri hüppeid.
Näiteks vask ja CVD teemantkile pakuvad klassikalist kontrasti. Vase soojusjuhtivus on ligikaudu 400 W/m·K, mõõdukas erisoojusmahtuvus ja suhteliselt suur tihedus. CVD teemantkile võib soojusjuhtivuse poolest ületada 1000 W/m·K, kuid sellel on väiksem erisoojusmaht ja väiksem tihedus. Teatud ajutiste, suure -soojusvooga-rakenduste korral võib teemantkile-oma ülikõrge termilise hajuvuse-tõkestada kuumade punktide teket kiiremini. Teatud soojussalvestusvõimet nõudvate stsenaariumide korral võib selle üldine soojusmahtuvus siiski mahukama vaskplokiga võrreldes alla jääda.
02 Anisotroopne soojusjuhtivus
Järgmisena kaaluge grafiiti, grafeeni ja pürolüütilist grafiiti{0}}materjale, mis on viimastel aastatel pälvinud suurt tähelepanu. Nendel materjalidel on tavaliselt tugevad anisotroopsed soojusjuhtivusomadused: nende tasapinnaline soojusjuhtivus võib ulatuda kuni 1500–2000 W/m·K, samas kui paksuse -soojusjuhtivus on sageli vaid 5–20 W/m·K.
Kui soojusvoo suund ei ühti materjali domineeriva soojusteljega, võib nn -üli-kõrge soojusjuhtivuse peaaegu otse tühistada. Praktilises materjali kavandamises ja valmistamises tugineb täiteaine orientatsiooni juhtimine sageli välisele välja induktsioonile või spetsiifilistele töötlemismeetoditele. Näiteks täiteainete magnetiliste või elektriliste omaduste erinevusi ära kasutades võib rakendatud magnet- või elektriväli kutsuda esile lamellstruktuuride suundade joondamise, et luua kiireid vertikaalseid soojusradasid. Teise võimalusena võivad nihkejõud selliste protsesside ajal nagu tera katmine, ekstrusioonvormimine või kiudude ülekandmine soodustada helveste horisontaalset joondamist voolu suunas. Ainult täpse orientatsiooni juhtimise abil saab foonide transporti tõhusalt suunata piki esmast termilist telge, muutes seeläbi materjali anisotroopsed eelised lõpptoodetes tajutavaks soojuse hajumise jõudluseks.
03 Muud süsteemitasandi kriitilised tegurid
Kui kuumus jõuab lõpuks "hajumise viimase sammuni", pole materjali olemuslikud omadused enam ainsad peategelased. Pinna kiirgusvõime, pinna morfoloogia ja efektiivsete konvektiivsete tingimuste olemasolu mõjutavad oluliselt lõplikku soojuse hajumist.
Võtke näiteks alumiinium: sama substraadi materjal võib sõltuvalt selle pinna seisundist avaldada drastiliselt erinevat soojuse hajumist. Looduslikus konvektsiooni- või vaakumkeskkonnas on peegel-poleeritud alumiiniumpinnal äärmiselt madal kiirgusvõime, mis takistab soojuse kiirguse hajumist. Seevastu pärast anodeerimist, katmist või pinna karestamist saab alumiiniumpinna kiirgusvõimet oluliselt suurendada, parandades seeläbi märkimisväärselt kiirgusjahutusvõimet.
Lisaks on probleem, mida inseneripraktikas sageli tähelepanuta jäetakse: paljud termilise liidese materjalid (TIM) toimivad tegelikult süsteemi liidesekomponentidena. Levinud tooted, nagu termilised määrded, vahepadjad ja faasi{1}}muutmismaterjalid, ei tulene mitte ainult soojusjuhtivusest. Veelgi kriitilisem on nende väärtus nende võimes järjekindlalt ja usaldusväärselt kõrvaldada õhuvahed ja vähendada kontakti soojustakistust pikema aja jooksul.
Reaalsetes{0}}süsteemides võib liidese soojustakistus moodustada 30–70% kogu soojustakistusest,-selle mõju võib isegi kaaluda üles erinevused asjaomaste materjalide soojusjuhtivuses. Selles kontekstis on eriti olulised materjali viskoelastsed omadused. Sellised tegurid nagu survedeformatsioonivõime, pingete lõdvestamise omadused ja pikaajaline roomamiskäitumine{6}} mõjutavad otseselt materjali kasutusstabiilsust ja töökindlust püsiva mehaanilise surve all.