Медь и алюминий теплопроводность: Теплопроводность меди и ее сплавов – плюсы и минусы

alexxlab | 30.05.2023 | 0 | Разное

свойства и параметры металлов, отличия в электро- и теплопроводности и других характеристиках

Алюминий и медь представляют собой крайне популярные металлы, активно использующиеся в самых разных отраслях. При этом многие люди нередко путают их между собой, что может привести к не самым приятным последствиям.

Ниже проведем сравнение меди и алюминия по ключевым параметрам и выясним, как именно можно отличить один металл от другого.

Содержание

1. Свойства и параметры меди
2. Свойства и параметры алюминия
3. Отличие меди от алюминия
4. Электропроводность
5. Коэффициент расширения
6. Теплопроводность
7. Возможность соединения
8. Прочность на разрыв
9. Как отличить медь от алюминия?

Свойства и параметры меди

Перед тем как разобрать, в чем отличие между медью и алюминием, остановимся детально на особенностях каждого из этих материалов.

Это один из первых металлов, который люди научились добывать и использовать для изготовления различных предметов. Встречается в чистом виде, по аналогии с золотом и другими подобными металлами.

Особенности меди:

• при контакте с кислородом формируется оксидная пленка, придающая материалу желтоватый оттенок;
• в чистом виде отличается мягкостью и пластичностью;
• хорошо проводит ток;
• имеет отличные показатели теплопроводности, уступая лишь серебру;
• высокая плотность, температура плавления;
• хорошо соседствует с другими металлами;
• легко протягивается в тонкую проволоку;
• обладает диамагнетическими свойствами.

Химическая активность материала относительно невысокая. В сухом воздухе окисления происходить не должно вовсе. К тому же медь устойчива к воздействию кислот, не обладающих окислительными свойствами.

Свойства и параметры алюминия

Алюминий в отличие от меди является более современным металлом, промышленное использование которого позволило развить огромное количество отраслей.

К основным свойствам материала можно отнести:

• малый удельный вес;
• низкая температура плавления;
• высокая электропроводимость;
• хорошая теплопроводность;
• пластичность;
• высокая теплота плавления.

При взаимодействии с кислородом на поверхности формируется тонкая и прочная пленка окиси, которая затем начинает препятствовать проникновению кислорода во внутренние слои.

Малая плотность позволяет использовать металл в основе легких и прочных конструкционных материалов, которые к тому же способны выступать в качестве проводников для тепла или электричества.

Даже достаточно агрессивные газы не слишком сильно влияют на скорость коррозии алюминия, так что изделия из металла применяются практически повсеместно. Грамотный подход к использованию дополнительных включений и защитных покрытий позволил приблизить свойства алюминия к свойствам чистой меди.

Отличие меди от алюминия

Теперь постараемся сравнить медь и алюминий по вполне конкретным параметрам, влияющим на сферу применения каждого из металлов.

Электропроводность

Показатель электропроводности у меди в полтора раза выше, чем у алюминия. Однако плотность оказывается в 3.3 раза больше. Что касается себестоимости материалов, то внедрение автоматизированных линий позволило значительно удешевить производство алюминия. Так что и сейчас он гораздо доступнее меди.

По этой причине именно этот материал предпочитают использовать в многожильных проводах и кабелях разного назначения. Это касается в том числе высоковольтных проводов ЛЭП, которые к тому же создают разумную нагрузку на опоры. С более низкой электропроводностью приходится мириться.

Коэффициент расширения

Коэффициент расширения описывает увеличением размеров материала при изменении температуры. Показатель у алюминия примерно на треть больше, чем у меди. Подобная особенность может создавать определенные неудобства при нарушении технологии монтажа соединений.

Тут очень важно использовать дополнительное подпружинивание, которое предотвратит ослабление болтов.

Активно применяются специальные прижимные и чашевидные шайбы, которые обеспечивают эластичность соединения без чрезмерной нагрузки на алюминий. Так что при грамотном подборе крепежной арматуры алюминиевые элементы практически равны медным.

Теплопроводность

Теплопроводность меди выше, чем алюминия. Это приводит к мысли о том, что обмотки трансформатора из этих металлов чувствуют себя совершенно по-разному. Однако это касается только случаев, в которых обмотка создана проволокой одного размера и геометрии.

На практике же заранее проводятся все необходимые расчеты, чтобы обеспечить оптимальную теплопроводность с соблюдением базовых рекомендаций производительности.

Чтобы алюминиевая обмотка обладала такой же теплопроводностью, как медная, проволока должна быть примерно на 66% больше по площади поперечного сечения. Современные производители катушек учитывают эту особенность и создают оптимальные решения по качеству, цене и функционалу.

Возможность соединения

Оба рассматриваемых металла склонны к окислению при определенных условиях. Также они могут быть чувствительны к иным химическим реакциям под воздействием атмосферы.

Окись алюминия является отличным изолятором, что создает сложности при необходимости поддерживать постоянный электрический контакт. Оксид меди обладает большей электропроводностью, однако также иногда доставляет неприятности.

Предотвратить окисление контактов поможет их предварительная зачистка и использование высококачественных соединений. Это особенно важно для алюминиевых проводников. Технологии подготовки уже прекрасно отработаны, так что в современных условиях подключение электрооборудование доставлять проблем не должно.

В любом случае, использовать болтовые соединения из алюминия без дополнительного медного покрытия не рекомендуется.

Стоит отметить, что существует несколько продвинутых технологий сварки или взрыва, позволяющих надежно соединить контакты разных металлов между собой с минимальными рисками окисления в будущем.

Также иногда применяют дополнительные покрытия из серебра или техники лужения. Алюминиевые наконечники могут покрываться оловом, гораздо более устойчивым к химическим реакциям.

Прочность на разрыв

Алюминий характеризуется более низкой прочностью на растяжение и низким пределом текучести. Это сразу вызвало беспокойство относительно использования металла при циклических нагрузках. Создаваемые в обмотках электромагнитные силы способны вызывать смещение и постоянное движение проводников.

Предел прочности алюминия составляет всего лишь 38% от предела прочности меди. Но тут также проводится сравнение при равных поперечных сечениях. Использование более толстой проволоки в большинстве случаев позволяет сгладить все негативные последствия колебаний.

В данном случае одновременно компенсируется и электропроводимость, и прочность на разрыв.

Как отличить медь от алюминия?

Различия меди и алюминия по химическому составу и электропроводящим свойствам далеко не всегда легко выявляются. Поэтому имеет смысл также рассмотреть внешние и механические особенности металлов.

Внешне алюминий без кислотной пленки имеет сероватый оттенок, тогда как медь практически всегда красно-рыжая. При длительном взаимодействии с атмосферой происходит окисление, которое приводит к потемнению обоих материалов.

Важным физическим параметром материалов является гибкость, которая у меди в 1.5 раза выше, чем у алюминия. Если алюминиевую проволоку согнуть несколько раз, она попросту сломается. Поэтому ее стараются прокладывать прямо, избегая резких поворотов. Медная же проволока сохранит свою структуру.

Отдельно стоит рассмотреть вес материала. При одинаковом сечении медная жила всегда будет весить больше, чем алюминиевая.

Алюминий или медь, вечное противостояние

27. 03.2018

В настоящее время основным материалом для обмотки низкого напряжения сухих трансформаторов, мощность которых составляет более 15 кВА, является алюминий. В некоторых странах преобладающим намоточным материалом выступает медь. Рассмотрим основные различия алюминия и меди.

Одной из основных причин выбора обмоток из алюминия является низкая начальная стоимость. Это обусловлено тем, что этот материал более распространен в природе. Более дорогой является покупка медного проводника, цена которой исторически более изменчива. В отличие от меди, алюминий имеет большую пластичность, поэтому легче поддается сварке. Это также обуславливает дешевизну этого материала в производстве. Но для надежного соединения алюминия требуются квалифицированные сварщики, имеющие большое количество знаний и опыта. Легче дело состоит во время соединения меди.

Существует множество аргументов в электротехнической промышленности о плюсах и минусах использования алюминия вместо меди. Мнения меняются до сих пор. Ниже приведем основные характеристики материалов и рассмотрим все преимущества и недостатки.

Рассмотрим ложные и истинные сведения о применении алюминия.

Бытуют ложные мнения о том, что:

• оконечные заделки трансформаторов, намотанных алюминием несовместимы с медной линией и силовыми кабелями;
• соединения с линией и нагрузкой трансформаторов с медными обмотками более надежны, чем у трансформаторов с алюминиевыми обмотками;
• обмотки низкого напряжения трансформаторов, намотанные медью, лучше подходят для “ударных” нагрузок. Объясняется это тем, что у меди более высокая прочность на растяжение чем у алюминия;
• устройства с алюминиевыми обмотками имеют более высокие потери, чем трансформаторы с медными обмотками;
• трансформаторы с алюминиевыми обмотками больше греются, потому, что медь обладает лучшей теплопроводностью.

Правдивыми сведениями об алюминии являются:

• оконцевание выводов должным образом – более сложная задача для намотанных алюминием трансформаторов;
• трансформаторы с алюминиевыми обмотками весят легче, чем аналогичные с медными обмотками;

 

5 основных различий между медью и алюминием

Существует пять различий между алюминием и медью, которые вызывают беспокойства в выборе материала для обмотки:

1. Возможность соединения.

Оксиды, хлориды и недрагоценные металлы более проводящие на меди, чем на алюминии. Этот делает более важной для алюминия очистку и защиту соединителей. Бытует мнение о несовместимости соединения меди с алюминием. Остается под вопросом и сопряжение соединений алюминия трансформаторов и медного провода присоединения.

2. Коэффициент расширения.

Алюминий при изменении температуры расширяется практически на треть больше меди. Такое расширение и пластичность алюминия вызывает проблемы для ненадлежаще смонтированных болтовых соединений. Избежать ослабления соединения позволит его подпружинивание. Необходимо использовать прижимные или чашевидные шайбы. С их помощью обеспечится нужная эластичность при сочленении, без сжатия алюминия. При использовании надлежащей арматуры соединения алюминия могут сравняться по качеству с медным.

3. Теплопроводность.

Существует мнение, раз теплопроводность у меди выше, то это влияет на снижение хот-спот температуры обмотки трансформатора. Такое утверждение является верным при условии, что проводники обмоток из меди и алюминия имеют одинаковый дизайн, размер и геометрию. Из этого следует, что для силовых трансформаторов, имеющих заданный размер, характеристики теплопроводности алюминия и меди будут очень близки. Для достижения такой же электропроводности, как у меди, у алюминия она должна быть больше на 66% по площади поперечного сечения.

4. Электропроводность

Часто аргументируют неполноценность проводимости алюминия. Это происходит из-за того, что он имеет 61% от проводимости меди. Поэтому происходят более высокие потери в обмотках трансформатора, изготовленных из алюминия. Чтобы способствовать удержанию температуры в изоляции, трансформаторы, в которых используются обмотки из алюминия разрабатывают с проводниками большего поперечного сечения, чем у меди. Такая процедура приводит, в среднем, к одинаковым потерям как для алюминия, так и для меди. Можно сделать вывод, что силовые трансформаторы аналогичной конструкции с одинаковым нагревом имеют практически аналогичные потери, и материал проводника не имеет значения.

5. Прочность на разрыв

Алюминий имеет более низкую прочность на растяжение и предел текучести. Это вызывало беспокойства в использовании этого материала при циклических нагрузках. 

Нагрузки с большими токовыми бросками, создающие приводы постоянного тока, приводят к появлению электромагнитных сил, вызывающих движение проводников и смещение обмотки. Алюминий имеет 38% от предела прочности меди. Но это сравнение основано на равных площадях поперечного сечения.

Чтобы обеспечить равный рейтинг трансформаторам с алюминиевыми и медными обмотками необходимо, чтобы обмотки имели площадь поперечного сечения на 66% больше, чем устройства с обмотками из меди.

Способность силового трансформатора противостоять долговременным воздействиям бросков нагрузки, в большинстве зависит от соответствующего баланса обмотки и крепления соединительных проводов. Существенной разницы между алюминиевыми и медными обмотками силовых трансформаторов низкого напряжения в механических повреждениях при испытаниях не обнаружено.

Подключение

На сегодняшний день подключение является наиболее распространенной причиной ущербов в использовании обмоток трансформаторов из алюминия. Как медь, так и алюминий под воздействием атмосферы склонны к окислению и другим химическим изменениям. Проблема состоит в том, что окись алюминия представляет собой хороший изолятор. В свою очередь, оксид меди не является очень проблематичным в болтовых соединениях. Предотвратить окисление позволит зачистка контактов вместе с качественным соединением. Рекомендации можно отнести к любому проводящему материалу, но они наиболее существенны для алюминия. Приходим к выводу, что болтовые соединения, изготовленные из алюминия, не рекомендуется использовать без покрытия с медью.

Столкновение теории и практики

Существует множество аргументов, способствующих использованию как меди, так и алюминия.

Одна из теорий фокусируется на разнообразных методах выполнения медных и алюминиевых соединений. Внутренние соединения медных обмоток трансформатора, как правило, паяные. В свою очередь, соединения алюминия свариваются с использованием инертного газа. Сварка алюминия в инертном газе дает сплошной алюминий, который соединен без потери проводимости.

Существует утверждение, медная окись в течение долгого времени продолжает формироваться. Она отслаивает наружную медь и повреждает весь проводник. С другой стороны, алюминиевая окись формирует защитное покрытие на открытых металлических поверхностях. Это препятствует окислению через несколько миллионных долей сантиметра. Не исключены проблемы при эксплуатации трансформатора в коррозионных атмосферных или экстремальных нагрузочных условиях. Но среднестатистическому потребителю не стоит волноваться, потому что у медных и алюминиевых силовых трансформаторов есть отличный послужной список долгих лет практического применения.Единственной причина, чтобы отдать предпочтение меди – ограниченность пространства. Намотанный медью силовой трансформатор имеет меньшие габариты чем с алюминиевой обмоткой.

Выбор алюминиевой или медной обмотки сводится к личным предпочтениям потребителя. Спрос на сухие силовые трансформаторы с низковольтными обмотками из алюминия будет расти из-за главного преимущества над медью – более низкой стоимости. Прежде, чем вложить средства медные трансформаторы, исследуйте причины предпочтения меди в технических характеристиках.

< ПредыдущаяСледующая >

Теплопроводность алюминия, меди, железа и вольфрама при температуре от 1 К до температуры плавления (Технический отчет)

Теплопроводность алюминия, меди, железа и вольфрама при температуре от 1 К до точки плавления (Технический отчет) | ОСТИ.GOV

перейти к основному содержанию

• Полная запись
• Другое связанное исследование

Данные по теплопроводности технически чистых образцов алюминия, меди, железа и вольфрама были собраны, закодированы, критически проанализированы и сопоставлены с аналитическими методами, основанными на теоретических и эмпирических уравнениях. Полученные функции представлены и использованы для построения таблиц и графиков зависимости теплопроводности от температуры и коэффициента остаточного удельного сопротивления (RRR). Прилагается аннотированная библиография ссылок. Обсуждаются изменения теплопроводности, вызванные химическими примесями, физическими дефектами, размерными эффектами и магнитными полями. Сглаженные значения представлены для температур от 1 К до температуры, близкой к температуре плавления, и для большого диапазона значений RRR.

Авторов:

Хуст, Дж. Г.; Ланкфорд, А.Б.

Дата публикации:

1984-06-01

Исследовательская организация:

Национальное бюро стандартов, Боулдер, Колорадо (США). Отдел химических инженерных наук.

Идентификатор ОСТИ:

6225458

Номер(а) отчета:

ПБ-84-235878; НБСИР-84/3007

Тип ресурса:

Технический отчет

Страна публикации:

США

Язык:

Английский

Тема:

36 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ; АЛЮМИНИЙ; ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ; МЕДЬ; ЖЕЛЕЗО; ВОЛЬФРАМ; КРИОГЕНИКА; СОСТАВ ДАННЫХ; ДЕФЕКТЫ; ПРИМЕСИ; МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ; РАЗМЕР; ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ; ДАННЫЕ; ЭЛЕМЕНТЫ; ИНФОРМАЦИЯ; МЕТАЛЛЫ; ЧИСЛЕННЫЕ ДАННЫЕ; ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА; ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА; ПЕРЕХОДНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ; 360104* – Металлы и сплавы – Физические свойства

---

Форматы цитирования

• MLA
• АПА
• Чикаго
• БибТекс

Hust, JG, and Lankford, AB. Теплопроводность алюминия, меди, железа и вольфрама при температурах от 1 K до точки плавления . США: Н. П., 1984. Веб.

Копировать в буфер обмена

Hust, JG, & Lankford, AB. Теплопроводность алюминия, меди, железа и вольфрама при температурах от 1 K до точки плавления . Соединенные Штаты.

Копировать в буфер обмена

Хаст, Дж. Г., и Ланкфорд, А. Б., 1984. «Теплопроводность алюминия, меди, железа и вольфрама при температурах от 1 К до точки плавления». Соединенные Штаты.

Копировать в буфер обмена

@статья{osti_6225458,
title = {Теплопроводность алюминия, меди, железа и вольфрама при температурах от 1 К до точки плавления},
автор = {Хаст, Дж. Г. и Ланкфорд, А. Б.},
abstractNote = {Данные по теплопроводности технически чистых образцов алюминия, меди, железа и вольфрама были собраны, закодированы, критически проанализированы и сопоставлены с аналитическими методами, основанными на теоретических и эмпирических уравнениях. Полученные функции представлены и использованы для построения таблиц и графиков зависимости теплопроводности от температуры и коэффициента остаточного удельного сопротивления (RRR). Прилагается аннотированная библиография ссылок. Обсуждаются изменения теплопроводности, вызванные химическими примесями, физическими дефектами, размерными эффектами и магнитными полями. Сглаженные значения представлены для температур от 1 К до температуры, близкой к температуре плавления, и для большого диапазона значений RRR.},


дои = {},
URL-адрес = {https://www.osti.gov/biblio/6225458}, журнал = {},
номер =,
объем = ,
место = {США},
год = {1984},
месяц = ​​{6}
}

Копировать в буфер обмена

---

Дополнительную информацию о получении полнотекстового документа см. в разделе «Доступность документа». Постоянные посетители библиотек могут искать в WorldCat библиотеки, в которых может храниться этот предмет. Имейте в виду, что многие технические отчеты не каталогизированы в WorldCat.

---

Экспорт метаданных

Сохранить в моей библиотеке

Вы должны войти в систему или создать учетную запись, чтобы сохранять документы в своей библиотеке.

Аналогичных записей в сборниках OSTI.GOV:

• Аналогичные записи

Теплопроводность композитов графит/алюминий и графит/медь | J. Теплопередача

Пропустить пункт назначения

Технические брифинги

М. А. Ламберт,

Л. С. Флетчер

Информация об авторе и статье

Дж. Теплопередача . May 1996, 118(2): 478-480 (3 страницы)

https://doi.org/10.1115/1.2825869

Опубликовано в Интернете: 1 мая 1996 г.

История статьи

Получено:

1 января 1995 г.

Пересмотрено:

1 декабря 1995 г.

Онлайн:

5 декабря 2007 г. Взгляды

• Содержание артикула
• Рисунки и таблицы
• Видео
• Аудио
• Дополнительные данные
• Экспертная оценка

Делиться

• Facebook
• Твиттер
• LinkedIn
• MailTo

Иконка Цитировать Цитировать

Разрешения

Поиск по сайту

Citation

Ламберт, Массачусетс, и Флетчер, Л. С. (1 мая 1996 г.). «Теплопроводность композитов графит/алюминий и графит/медь». КАК Я. Дж. Теплопередача . май 1996 г.; 118(2): 478–480. https://doi.org/10.1115/1.2825869

Скачать файл цитаты:

• Рис (Зотеро)
• Менеджер ссылок
• EasyBib
• Подставки для книг
• Менделей
• Бумаги
• КонецПримечание
• РефВоркс
• Бибтекс
• Процит
• Медларс

панель инструментов поиска

Расширенный поиск

Раздел выпуска:

Технические описания

Ключевые слова:

Проводка, Электронное оборудование, Теплофизические свойства

Темы:

Алюминий, Композитные материалы, Медь, Электронное оборудование, графит, Теплопроводность, Теплопроводность

1.

Aluminium Company of America (ALCOA), 1968, личное сообщение Л. С., Флетчеру, 10 декабря. Огайо.

3.

Бизли, К.Г., 1990, «Управление температурой электроники: Ежегодный отчет о состоянии Управления военно-морских технологий (ONT)», Центр поддержки морского вооружения (NWSC), Крейн, Индиана, отчет № ESE-04409, Декабрь

4.

Клайн Т.В. и Уизерс П.Дж., 19 лет93, An Introduction to Metal Matrix Composites , Cambridge University Press, Кембридж, Соединенное Королевство.

5.

Эллис, Д. Л., и МакДэнелс, Д. Л., 1991, «Теплопроводность и тепловое расширение композитов графитовое волокно/медная матрица», представлено на Ежегодном собрании Металлургического общества, Новый Орлеан, Луизиана, 17 февраля. -21.

6.

Гордон, Ф. Х., и Клайн, Т. В., 1991, «Транспортные свойства коротковолокнистого карбида кремния, армированного титаном», в Композиты с металлической матрицей — обработка, микроструктура и свойства, 12-й Международный симпозиум RisO , N. Hansen, D. Juul-Jensen, T. Leffers, H. Lilholt, T. Lorentzen, A.S. Pedersen, JB Pedersen и B. Ralph, ред., Ris0 National Laboratory, стр. 361–366.

7.

Kline

S. J.

, и

McClintock

F. A.

,

1953

, «

Описывая неопределенные в экспериментах

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

,

. Том.

75

, №

1

, январь, стр.

3

–

8

.

8.

Kuniya

K.

,

Arakawa

T. K.

, and

Chiba

A.

,

1987

, “

Thermal Conductivity, Electrical Conductivity, and Удельная теплоемкость композита медь-углеродное волокно

»,

Труды Японского института металлов

, Том.

28

, стр.

819

–

826

.

9.

Ламберт, М. А., и Флетчер, Л. С., 1993, «Экспериментальная тепловая контактная проводимость серебряных покрытий, осажденных из паровой фазы, гальванопокрытий и пламенным напылением», Документ AIAA № 93-0846.

10.

Ламберт, М. А., и Флетчер, Л. С., 1994 г., «Экспериментальная тепловая контактная проводимость композитов с металлической матрицей из непрерывных волокон», документ AIAA № 9.4-0122.

11.

Маасс, Д., и Маквински, М., 1992, «Композиты из пекового волокна как алюминиевая замена высокопроизводительным радиаторам авионики», Advanced Composite Products, Inc., Отчет для Центра надводных боевых действий ВМС (NSWC) , Кран, ИН.

12.

Монтесано, М. Дж., Виганд, Дж. Т., и Реш, Дж. К., 1992 г., «Демонстрация улучшенного теплоотвода из композитного волокна с улучшенной сквозной теплопроводностью», документ ASME № 92-WA/EEP-31.

13.

Пфайффер В. и Таллон Дж., 1992, «Углеродные композиты с высокой проводимостью для радиаторов SEM-E», Конференция по электронике SAMPE, июнь.

14.

Reeves

A. J.

,

Taylor

R.

и

Clyne

T. W.

,

1991

, «

,

9119191919918181,«

,

91191919191918181,101. из титана, армированного частицами карбида кремния

»,

Материаловедение и инженерия

, Vol.

A141

, стр.

129

–

138

.

15.

Тулукян Ю.С. и Хо С.Ю., ред., 1972, Теплофизические свойства вещества: Том.