Isıyı En İyi İleten Malzeme Hangisi? Gümüş, Bakır, Elmas ve Grafen

Isıyı en iyi ileten malzeme sorusunun tek bir cevabı yoktur. Oda sıcaklığında yaygın metaller arasında gümüş yaklaşık 420 W/mK’nin üzerindeki termal iletkenliğiyle ilk sıradadır. Ancak yüksek kaliteli elmas yaklaşık 2.000-2.400 W/mK seviyesine ulaşarak metalleri açık ara geçebilir. Tek katmanlı grafen için ise belirli deney koşullarında 2.000-5.000 W/mK ve daha yüksek düzlem içi değerler rapor edilmiştir.

Bu nedenle “dünyada ısıyı en iyi ileten madde grafendir” veya “gümüştür” gibi tek cümlelik cevaplar ancak hangi malzeme grubundan ve hangi koşullardan söz edildiği belirtilirse anlamlıdır. Bilgisayar soğutucusu gibi gerçek ürünlerde ise termal iletkenlik tek kriter olmadığı için çoğunlukla bakır ve alüminyum kullanılır.

Termal iletkenlik nedir?

Termal iletkenlik, bir malzemenin ısı enerjisini kendi içinden ne kadar kolay aktarabildiğini ifade eder.

Genellikle:

W/(m·K)

yani metre-kelvin başına watt birimiyle gösterilir.

Termal iletkenlik değeri yükseldikçe malzeme sıcak bir noktadaki enerjiyi daha hızlı biçimde daha soğuk bölgelere taşıyabilir.

Örneğin yaklaşık olarak:

• Bakır: 400 W/mK civarı
• Paslanmaz çelik: 15-25 W/mK civarı

olabilir. Bu nedenle aynı geometrik şartlarda bakır, paslanmaz çeliğe göre ısıyı çok daha kolay yayabilir.

Isıyı en iyi ileten malzeme hangisidir?

Oda sıcaklığı civarında değerlendirildiğinde cevap kullanılan tanıma göre değişir:

• Yaygın metaller arasında: Gümüş
• Pratik üç boyutlu katı malzemeler arasında: Yüksek kaliteli elmas
• İki boyutlu malzemelerde düzlem boyunca: Grafen son derece yüksek değerlere ulaşabilir

Grafenin termal iletkenliği özellikle yüksek olsa da tek atom kalınlığındaki iki boyutlu bir tabakayla büyük bir elmas veya bakır blok arasında doğrudan karşılaştırma yapmak yanıltıcı olabilir.

Malzemelerin ısı iletkenliği sıralaması

Aşağıdaki değerler oda sıcaklığı çevresindeki yaklaşık değerlerdir. Saflık, üretim yöntemi, kristal yapısı, sıcaklık ve ölçüm yönü sonuçları değiştirebilir.

Bu tablo kesin bir evrensel sıralama olarak görülmemelidir. Örneğin termal iletkenlik sıcaklık değiştikçe önemli ölçüde değişebilir.

Grafen ısıyı ne kadar iyi iletir?

Grafen, bilinen en yüksek termal iletkenlik değerlerinin ölçüldüğü malzemelerden biridir.

Tek katmanlı ve askıda duran yüksek kaliteli grafen üzerinde yapılan çalışmalarda oda sıcaklığında birkaç bin W/mK seviyesinde düzlem içi termal iletkenlik rapor edilmiştir.

Literatürde yaklaşık:

2.000 - 5.000 W/mK

aralığındaki değerlere sıkça rastlanır.

İlk çalışmalarda 5.300 W/mK civarında değerler de rapor edildi. Ancak grafenin termal iletkenliğini ölçmek oldukça zor olduğu için sonraki araştırmalarda bazı erken sonuçların olduğundan yüksek tahmin edilmiş olabileceği tartışıldı.

Ayrıca grafenin performansı şu faktörlere çok duyarlıdır:

• Tek veya çok katmanlı olması
• Numunenin büyüklüğü
• Kristal kusurları
• Üretim yöntemi
• Başka bir yüzey üzerinde bulunup bulunmaması
• Sıcaklık

Örneğin bir alt tabaka üzerine yerleştirilmiş grafenin termal iletkenliği, serbest duran yüksek kaliteli grafenden ciddi ölçüde düşük olabilir.

Grafen mi elmas mı ısıyı daha iyi iletir?

Bu karşılaştırmanın cevabı ölçüm biçimine bağlıdır.

Grafen, kendi iki boyutlu düzlemi boyunca bazı deneylerde elmastan daha yüksek termal iletkenlik gösterebilir. Ancak grafen yalnızca bir veya birkaç atomik katmandan oluşabileceği için büyük miktarda ısıyı üç boyutlu bir soğutucu içerisinde taşıma açısından aynı biçimde değerlendirilemez.

Elmas ise üç boyutlu, hacimli bir malzeme olarak olağanüstü termal iletkenliğe sahiptir.

Yüksek kaliteli sentetik tek kristal elmaslarda oda sıcaklığında yaklaşık:

2.200 - 2.400 W/mK

seviyesine ulaşılabilir.

İzotopik olarak özel biçimde saflaştırılmış bazı elmaslarda yaklaşık 3.000 W/mK civarında değerler de elde edilebilir.

Bu nedenle mühendislik açısından “en iyi hacimli katı ısı iletkenlerinden biri hangisidir?” sorusunun güçlü cevaplarından biri elmastır.

Elmas neden ısıyı bu kadar iyi iletir?

Elmas elektriksel açıdan iyi bir iletken değildir ancak buna rağmen ısıyı olağanüstü iyi taşır.

Bunun nedeni elmastaki karbon atomlarının çok güçlü ve düzenli kovalent bağlarla oluşturduğu kristal yapıdır.

Metallerde ısı taşınımında serbest elektronlar büyük rol oynarken elmasta enerji büyük ölçüde kristal örgüsündeki titreşimler, yani fononlar aracılığıyla taşınır.

Bu durum önemli bir noktayı gösterir: elektriği iyi iletmek ile ısıyı iyi iletmek aynı şey değildir.

Metaller arasında ısıyı en iyi hangisi iletir?

Yaygın saf metaller arasında gümüş en yüksek termal iletkenliğe sahiptir.

Oda sıcaklığı civarında yaklaşık değerler şöyledir:

Gümüş ≈ 420-430 W/mK
Bakır ≈ 390-400 W/mK
Altın ≈ 315-320 W/mK
Alüminyum ≈ 220-240 W/mK

Ancak gerçek mühendislik uygulamalarında en yüksek değere sahip malzemenin otomatik olarak en iyi seçenek olması gerekmez.

Gümüş ısıyı bakırdan daha iyi iletiyorsa neden soğutucularda kullanılmıyor?

Gümüşün bakıra karşı termal avantajı vardır ancak fark maliyet artışına kıyasla küçüktür.

Gümüş:

• Bakırdan çok daha pahalıdır.
• Bakırın zaten oldukça yüksek olan iletkenliğine yalnız sınırlı bir artış sağlar.
• Büyük soğutucularda kullanıldığında maliyeti hızla yükselir.

Bu nedenle birkaç yüz watt ısı taşıması gereken bir bilgisayar soğutucusunu tamamen gümüşten üretmek ekonomik değildir.

Bakır, maliyet ile termal performans arasında çok daha iyi bir denge sağlar.

Bakır mı alüminyum mu ısıyı daha iyi iletir?

Bakır ısıyı alüminyumdan belirgin biçimde daha iyi iletir.

Saflığa ve alaşıma göre değişmekle birlikte bakır yaklaşık 400 W/mK, alüminyum ise yaklaşık 230 W/mK seviyesindedir.

Termal iletkenlik açısından bakır öndedir. Buna karşılık alüminyum:

• Daha hafiftir.
• Daha ucuzdur.
• Kolay işlenir.
• Ekstrüzyonla karmaşık kanat yapıları üretmek kolaydır.

Bakırın yoğunluğu yaklaşık 8,9 g/cm³ iken alüminyum yaklaşık 2,7 g/cm³ seviyesindedir. Yani aynı hacimde bakır yaklaşık üç kattan daha fazla ağırlığa sahiptir.

Bilgisayar soğutucularında neden bakır ve alüminyum kullanılıyor?

Bilgisayar soğutucularında sık görülen tasarımlardan biri:

• İşlemciye temas eden bakır taban,
• Bakır ısı boruları,
• Alüminyum soğutucu kanatları

kombinasyonudur.

Bakır, küçük sıcak yüzeyden gelen ısıyı hızlı biçimde dağıtır. Alüminyum ise geniş yüzey alanına sahip yüzlerce ince kanadın hafif ve ekonomik biçimde üretilebilmesini sağlar.

Bu yapı tamamen bakır soğutucuya göre ciddi ağırlık avantajı sağlayabilir.

Isı borularının içinde bakır mı var?

Birçok bilgisayar ısı borusunun dış gövdesi bakırdan üretilir ancak heat pipe yalnızca “bakır çubuk” değildir.

İçeride küçük miktarda çalışma sıvısı bulunur. Sıvı sıcak bölgede buharlaşır, daha soğuk bölgede yoğunlaşır ve kılcal yapı yardımıyla geri döner.

Bu faz değişimi sayesinde ısı borusu yalnız katı bakır iletiminden çok daha etkili biçimde sıcaklığı bir noktadan diğerine taşıyabilir.

Grafit ısıyı iyi iletir mi?

Evet ancak grafitte yön çok önemlidir.

Grafit anizotropik bir malzemedir. Başka bir ifadeyle termal iletkenliği her yönde aynı değildir.

Özellikle pirolitik grafit tabakaları düzlem boyunca çok yüksek termal iletkenliğe sahip olabilir. Bazı ürünlerde:

1.000 - 1.900 W/mK

seviyesinde düzlem içi değerler görülebilir.

Ancak tabakanın kalınlığı boyunca termal iletkenlik bunun onlarca hatta yüzlerce kat altında olabilir.

Bu özellik nedeniyle ince grafit tabakalar akıllı telefon, tablet ve başka kompakt elektronik cihazlarda sıcak noktadaki ısıyı geniş bir yüzeye yaymak için kullanılabilir.

Grafit mi bakır mı daha iyi?

Doğru yönde kullanılan yüksek kaliteli pirolitik grafit, düzlem boyunca bakırdan birkaç kat daha yüksek termal iletkenliğe ulaşabilir.

Ayrıca grafit oldukça hafiftir.

Buna karşılık:

• Isıyı kalınlık yönünde kötü iletebilir.
• Mekanik yapısı bakırdan farklıdır.
• Bağlantı ve üretim şekli kullanım alanını sınırlar.

Bu nedenle grafit bakırın her kullanım alanında doğrudan yerine geçen bir malzeme değildir.

Çelik ısıyı iyi iletir mi?

Çelik, bakır ve alüminyumla karşılaştırıldığında iyi bir ısı iletkeni değildir.

Ayrıca “çelik” tek bir malzeme olmadığı için tek bir termal iletkenlik değeri vermek yanıltıcıdır.

Örneğin:

• Bazı karbon çelikleri yaklaşık 40-60 W/mK,
• Bazı paslanmaz çelikler yaklaşık 15-25 W/mK

aralığında olabilir.

Bu değerler bakırın yaklaşık 400 W/mK seviyesinin oldukça altındadır.

Altın neden bilgisayar soğutucularında kullanılmıyor?

Altın iyi bir ısı iletkenidir ancak bakırdan daha düşük termal iletkenliğe sahiptir ve çok daha pahalıdır.

Buna karşılık altının oksitlenmeye karşı yüksek direnci elektronik bağlantılarda faydalıdır. Bu nedenle bilgisayarlarda altınla kaplanmış elektrik temas noktaları görmek normaldir fakat büyük bir soğutucuyu altından üretmek mantıklı değildir.

Termal macun ısıyı bakırdan daha mı iyi iletir?

Hayır. Termal macunların iletkenliği bakır veya alüminyumdan çok daha düşüktür.

Termal macunun görevi metal soğutucunun yerine geçmek değil, işlemci ve soğutucu arasındaki mikroskobik boşlukları doldurmaktır.

Bu boşluklarda aksi halde hava bulunur. Havanın termal iletkenliği oda sıcaklığında yaklaşık:

0,026 W/mK

gibi son derece düşük bir değerdedir.

Dolayısıyla birkaç W/mK termal iletkenliğe sahip bir macun bile hava boşluğundan çok daha iyi bir ısı yolu oluşturabilir.

Termal macun mümkün olduğunca ince bir arayüz oluşturur; ısının büyük bölümünü yine işlemci kapağı ve metal soğutucu taşır.

Termal iletkenlik değeri neden her kaynakta farklı?

Bir malzemenin termal iletkenliği değişmez tek bir sayı değildir.

Değeri etkileyen başlıca faktörler:

• Sıcaklık
• Malzeme saflığı
• Kristal kusurları
• Kristal yönü
• Alaşım oranı
• Tane boyutu
• Üretim yöntemi
• Malzemenin kalınlığı ve boyutu

olabilir.

Örneğin saf bakır ile bakır alaşımının termal iletkenliği aynı değildir. Benzer şekilde tek kristal elmas ile düşük kaliteli polikristal elmas önemli ölçüde farklı değer gösterebilir.

Saf metal mi alaşım mı ısıyı daha iyi iletir?

Çoğu durumda saf metalin termal iletkenliği, aynı metalin yoğun biçimde alaşımlanmış versiyonundan daha yüksektir.

Alaşıma eklenen farklı atomlar elektronların ve kristal titreşimlerinin hareketini dağıtarak termal iletkenliği düşürebilir.

Bu nedenle saf alüminyumun termal iletkenliği bazı yaygın alüminyum alaşımlarından daha yüksek olabilir.

Ancak mühendislikte saf metal her zaman tercih edilmez; mekanik dayanım, korozyon direnci, üretilebilirlik ve fiyat da önemlidir.

Elektriği iyi ileten malzeme ısıyı da iyi iletir mi?

Metallerde çoğunlukla güçlü bir ilişki vardır çünkü serbest elektronlar hem elektrik akımını hem de ısı enerjisini taşıyabilir.

Bu yüzden:

• Gümüş
• Bakır
• Altın

hem iyi elektrik hem de iyi ısı iletkenleridir.

Ancak bunun evrensel bir kural olmadığını elmas gösterir. Elmas elektriksel olarak yalıtkan olmasına rağmen dünyanın en iyi hacimli ısı iletkenlerinden biridir.

En iyi ısı yalıtkanı hangisidir?

Isı iletkenliğinin diğer ucunda termal iletkenliği çok düşük malzemeler bulunur.

Örneğin:

• Hava
• Mineral yün
• Polistiren köpük
• Poliüretan köpük
• Silika aerojel

ısı geçişini azaltmak için kullanılabilir.

Aerojeller özellikle son derece düşük termal iletkenlikleriyle bilinir. Bunun nedeni yapılarının çok büyük bölümünü düşük yoğunluklu gözeneklerin oluşturmasıdır.

En iyi ısı iletkeni neden her zaman en iyi soğutucu değildir?

Bir bilgisayar soğutucusu tasarlarken yalnızca W/mK değerine bakılmaz.

Aynı zamanda:

• Maliyet
• Ağırlık
• Dayanıklılık
• İşlenebilirlik
• Korozyon
• Yüzey alanı
• Hava akışı
• Termal arayüz direnci

önemlidir.

Örneğin elmas bakırdan birkaç kat daha iyi ısı iletebilir fakat büyük bir masaüstü işlemci soğutucusunu elmastan üretmek ekonomik değildir.

Alüminyum ise bakırdan daha düşük termal iletkenliğe sahip olmasına rağmen hafif ve ucuz olduğu için yüzlerce ince kanattan oluşan geniş soğutma yüzeyleri üretmeye son derece uygundur.

Isıyı en iyi ileten madde hangisi?

Soruyu kısa şekilde cevaplamak gerekirse:

• Metaller arasında: Gümüş
• Yaygın elektronik soğutma metali: Bakır
• Hafif ve ekonomik soğutucu malzeme: Alüminyum
• Hacimli katılar arasında en yükseklerden: Yüksek kaliteli elmas
• Düzlem içi ölçümlerde en yüksek değerlerden: Grafen

Bu nedenle eski tablolardaki “gümüş 429, bakır 401, alüminyum 205 W/mK” sıralaması metaller açısından genel fikri verse de bilinen bütün malzemelerin sıralaması değildir. Modern malzeme biliminde elmas, grafen ve özel grafit yapılar metalleri termal iletkenlik açısından önemli ölçüde aşabilir.

Gerçek bir cihaz tasarımında ise en yüksek termal iletkenlik değerine sahip malzeme değil; performans, ağırlık, fiyat, üretilebilirlik ve ısıyı hangi yönde taşıması gerektiği birlikte değerlendirildiğinde en uygun malzeme seçilir.