定制零件设计中的热导率与热膨胀关系

在制造过程中，能否做好热管理，决定了部件是第一天就失效，还是能使用多年。从热导率和热膨胀的角度理解热量，有助于工程师掌握部件制造过程中的热传导原理。温度梯度也是反映材料中两点之间温度差异的一个重要因素。.

了解这两项性能之间的相互作用，有助于避免实际生产中的问题。例如，如果仅因其硬度而选择某种模具钢，却忽略了其导热性，就会导致循环时间延长。此外，在采用塑金属组合设计时，若未检查热膨胀系数（CTE）的失配，产品在实际使用中会出现卷曲或卡死现象。.

本指南将帮助我们理解热导率和热膨胀的重要性，以及它们对金属和工程塑料的影响。.

热导率与热膨胀的定义：为何重要？

材料的热导率指其在温度变化时传递热量的能力。它用符号 (k) 表示，单位为瓦特每米开尔文 (W/mK)。 ^[1]. 在模具制造中，这一特性会影响冷却周期时间；而在数控加工中，则会影响加工过程中的散热情况。.

热膨胀描述了温度变化时尺寸和体积发生的变化。从数学上讲，它被定义为线性热膨胀系数 CTE（∝=∆L/Lθ∆T），其单位为 ×10⁻⁶/°C、10⁻⁶/°K 或 ppm/K。.

∝：线性热膨胀系数（CTE）。.

∆L：材料长度的变化（L-Lθ）。.

Lθ：原始材料长度。.

∆T：温度变化（终温－初温）

这意味着1 K的变化相当于1°C。 为了便于理解，1 × 10⁻⁶/°C = 1 ppm/K。进一步说明：热膨胀系数（CTE）为23 ppm/K意味着，当温度每升高1 K时，1米长的梁会膨胀23 µm。.

图示：热膨胀。.

CTE 组合使用比单独使用更有效，因此，两个 CTE 不同的配合部件在温度变化时会以不同的方式膨胀。这一现象导致了混合材料装配体中出现多种热配合失效。.

不同金属（如模具钢、铝和铜合金）的热导率差异

不同金属的热导率各不相同。确定其热导率的差异至关重要，特别是在涉及热管理或温度敏感性的制造工艺中。.

下表列出了这些材料的导热系数及其在各种工业应用中的作用。.

金属的热导率差异是由以下因素造成的：

• 原子结构： 像金属这样的材料之所以更容易传导热量，是因为其原子晶格高度有序，这使得电子能够自由运动。.
• 材料密度： 密度越高，导热性就越好。紧密排列的原子分子能快速传递热量。银的密度为10.49 g/cm³，与密度为2.70 g/cm³的铝相比，其导热性更高。.
• 温度 温度的变化会影响热导率。在高温作用下，某些材料（如铜和铁）的热导率往往会降低，而另一些材料（如硅）的热导率则会上升。.

为什么热膨胀不匹配比绝对热膨胀系数（CTE）的数值更构成工程威胁？

当将两种热膨胀系数（CTE）不同的材料组装在一起时，就会产生热膨胀系数不匹配的工程问题。 当这些材料经历温度变化时，它们的膨胀和收缩速率不同，导致其界面处积累机械应力。反复的热循环会导致材料失效、开裂或热疲劳。在严重的情况下，若发生分层，污染物或水分可能会渗入并损害部件。.

以钢和铝这两种金属为例，钢的热膨胀系数（CTE）为12.6×10⁻⁶/°C，而铝的热膨胀系数约为23.6×10⁻⁶/°C，几乎是钢的两倍。 ^[2]. 如果将各一段1米长的部件夹在一起，其中任意一段温度上升1°C，就会产生11μm的错位。.

因此，将铝制模具板与钢制导向销配对时，必须在工作温度下进行间隙计算，而不仅仅是在室温下。.

在电子组装过程中，PCB和保护性涂层会在温度循环过程中发生膨胀和收缩。FR-4 PCB在板面方向的膨胀率为14至17 ppm/°C，而在Z轴方向的膨胀率则在70至90 ppm/°C之间。  可选用不同的涂层，例如丙烯酸涂层（70 至 120 ppm/°C）、聚氨酯涂层（60 至 100 ppm/°C）和硅酮涂层（150 至 300 ppm/°C）。 这表明许多涂层的膨胀速度远快于其下方的PCB。这种差异会导致特定的故障，例如

1. 焊点疲劳： 由于涂层包裹在焊点和表面贴装元件周围，当其受热膨胀和收缩时，会将细小的芯片引脚（如 BGA 或 QFP 引脚）向上拉起，从而导致焊点断裂。.
2. 玻璃化转变（Tg）峰值： 当温度超过涂层的玻璃化转变温度（Tg）时，热膨胀系数（CTE）会增大，从而加速机械应变的产生。.

在嵌件注塑成型中，大多数金属嵌件都被封装在塑料外壳内。黄铜螺纹嵌件采用ABS外壳，其设计采用了间隔结构，以吸收因热膨胀系数（CTE）差异产生的间隙。这是因为塑料的热膨胀速度比金属快五到十倍。.

单件CTE通常不会造成问题，因为同质部件的热变化是可预测且易于补偿的。.

工程师应如何针对多材料装配体中的热膨胀系数不匹配进行设计？

产品设计师在工作中至少遇到过一次因热膨胀系数差异而引发的问题。某个部件在室温下本应完美契合，但当温度变化时却会出现翘曲、开裂或变形。这些失效现象都是由热膨胀系数（α）不匹配引起的。.

我们的工程师在设计组件的最初阶段，就会在材料选择、公差分析和热性能评估中考虑热膨胀系数（CTE）。.

在工作温度下（而非仅在室温下）进行配合与接合计算

如果材料的热膨胀系数（CTE）不同，那么该配合在20°C下的装配过程中可能表现完美，但在80–150°C时却无法保持相同的过盈量。.

尽可能匹配材料的热膨胀系数（CTE）

这是最大限度地减少多材料组件所受热应力的一种最有效的方法。如果这些材料以相同的速率膨胀和收缩，它们通常能够保持尺寸稳定性。铍铜（BeCu）和钢的热膨胀系数（CTE）值几乎相同；因此，钢/铍铜混合材质的模具基座在反复的热循环中能够保持稳定性。.

塑料与金属界面处的柔性特征

采用间隔柱、加强筋或凸台等符合规范的几何结构，比刚性金属嵌件更能有效应对热膨胀差异。.

解释塑料在玻璃化转变温度（Tg）附近热膨胀系数（CTE）的非线性行为

PEEK等塑料以及其他半结晶聚合物的热膨胀系数（CTE）在接近或超过玻璃化转变温度（Tg）时会发生显著变化。如果仅采用单一的恒定热膨胀系数值，会导致设计计算结果不准确。.

通过仿真和原型制作验证热性能

设计计算提供了一个坚实的基准，但实际的热行为取决于动态运行变量。有限元分析（FEA）和热仿真可以预测材料在温度变化时的行为。.

工程塑料的导热系数和热膨胀系数对比

除了金属之外，塑料在制造业中也发挥着重要作用；因此，测定其热导率同样重要。在热导率和热膨胀这两个方面，塑料在各自的量表上处于两端。瞬态平面热源法（TPS）能够准确、快速地测量聚合物的热导率。 瞬态线源（TLS）则用于测量熔融聚合物的热导率。.

ABS是丙烯腈、丁二烯和苯乙烯的缩写。其中丙烯腈成分有助于提高ABS的热稳定性。ABS的导热系数在0.14至0.21 W/m·K之间。 CYCOLAC™ 树脂作为 ABS 品牌之一，在无填料等级中具有出色的尺寸稳定性和较低的线膨胀系数（CTE）。因此，它能够满足消费者对汽车内饰以及格栅、车门把手和饰板等其他装饰部件在美观性和舒适性方面的需求。.

POM（Delrin/乙缩醛）的热导率为0.31 W/m·K，热膨胀系数（CTE）为1.1 × 10⁻⁴ /°C。与其他常见塑料相比，这一膨胀系数属于最高之列。 这一特性使其成为一种良好的热绝缘材料，有助于防止热量积聚。.

PEEK 在尺寸稳定性和热稳定性方面表现卓越。其导热系数较低，范围为 0.24-0.26 W/m·K，因此是一种优良的绝缘材料。 PEEK的线性热膨胀系数（CTE）为45–55 × 10⁻⁶ /°C，玻璃化转变温度（Tg）为143°C，可耐受高达260°C的高温，这一耐热性优于大多数聚合物。 这一特性使其成为汽车和航空航天行业各类工程应用的理想材料。.

尼龙的导热系数非常低，介于0.22至0.25 W/(m·K)之间；正因如此，它作为隔热材料比作为导热材料更胜一筹。因此，它在发动机罩和进气歧管等零部件的工业生产中具有重要用途。.

结论

本文指出，热导率和热膨胀不仅是材料的物理特性，更在影响产品性能方面发挥着关键作用。了解材料如何传递热量，能帮助工程师和创新者在各行各业中设计出有效的散热解决方案。.

在 First Mold，我们借助制造商和工程师的力量，在产品开发的最早阶段就着手应对这些挑战。由于我们融合了材料专业知识、可制造性设计（DFM）原则以及详尽的热分析，我们的零部件在实际运行条件下能够可靠地工作。.

我们满怀热情，希望借助我们的制造团队的力量，帮助您应对这些挑战。我们制造的并非仅仅是“能用”的设计，而是能在整个生命周期内始终如一地发挥性能的设计。.

参考资料

[1] Pelleg, J. (2012). 材料的力学性能. 施普林格出版社。. https://doi.org/10.1007/978-94-007-4342-7

[2] ASM International。（1990）。. 《ASM手册》第1卷：性能与选材：铁、钢及高性能合金. ASM International. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v01.9781627081610