Conductividad térmica de materiales

La conductividad térmica de los materiales es la propiedad que determina su capacidad para transferir calor por conducción. En estado estacionario, los metales puros como el cobre alcanzan valores de 401 W/(m·K) / 231,8 BTU/(h·ft·°F) a 0 °C / 32 °F, mientras que los polímeros sin relleno raramente superan los 0,2 W/(m·K) / 0,116 BTU/(h·ft·°F). Esta diferencia de hasta tres órdenes de magnitud ha impulsado el desarrollo de materiales compuestos de matriz polimérica con aditivos de alta conductividad, capaces de alcanzar entre 1 y 20 W/(m·K) / 0,58 y 11,6 BTU/(h·ft·°F).

Composición química

La composición de los materiales conductores térmicos varía drásticamente según la familia. Los metales conductores suelen ser elementos puros o aleaciones con una estructura cristalina que favorece la movilidad de los electrones. Los compuestos poliméricos conductores están formados por una matriz termoplástica o termoestable y una fase dispersa de partículas altamente conductoras.

Material	Componente mayoritario	Aditivo / alcante	Contenido típico de aditivo
Cobre electrolítico (ETP)	Cu ≥ 99.9%	Oxígeno ≤ 0.05%	<0.05% en masa
Aluminio 3003	Al 96.8–99%	Mn 1.0–1.5%, Cu 0.05–0.2%	1–2% en masa
Acero inoxidable 304	Fe 66–74% (balance)	Cr 18–20%, Ni 8–10.5%	26–30% en masa
Polímero con partículas HC (Al₂O₃)	Polietileno (PE) / Nylon	Alúmina (Al₂O₃)	30–60% vol. / 30–60% vol.
Polímero con partículas HC (Grafito)	Polipropileno (PP)	Grafito	40–70% vol. / 40–70% vol.
Polímero con nanotubos de carbono	Epoxi	CNTs	1–10% vol. / 1–10% vol.

Propiedades mecánicas por estado de tratamiento

Las propiedades mecánicas dependen del estado metalúrgico o del curado en el caso de los polímeros. La tabla siguiente recoge valores representativos para materiales seleccionados en las condiciones más comunes de suministro.

Material	Estado / Tratamiento	Límite elástico (MPa / ksi)	Resistencia a la tracción (MPa / ksi)	Módulo elástico (GPa / Msi)	Alargamiento (%)
Cobre ETP	Recocido	69 / 10.0	220 / 31.9	115 / 16.7	45
Cobre ETP	Laminado en frío (H04)	310 / 45.0	345 / 50.0	117 / 17.0	12
Aluminio 3003	Recocido (O)	41 / 5.95	110 / 15.9	69 / 10.0	30
Aluminio 3003	Laminado (H14)	145 / 21.0	150 / 21.8	69 / 10.0	16
Acero inoxidable 304	Recocido	215 / 31.2	505 / 73.2	193 / 28.0	70
Compuesto PP + 40% grafito	Moldeo por inyección	35 / 5.08	45 / 6.53	8.5 / 1.23	3
Compuesto Epoxi + 5% CNT	Curado	–	65 / 9.43	12 / 1.74	1.5

Propiedades físicas

La densidad y el coeficiente de expansión térmica (CTE) son parámetros críticos en aplicaciones donde se requiere disipación de calor y bajo peso simultáneamente.

Material	Densidad a 20 °C (kg/m³ / lb/ft³)	CTE 20-100 °C (10⁻⁶/°C / 10⁻⁶/°F)	Calor específico (J/(kg·K) / BTU/(lb·°F))
Cobre ETP	8960 / 559.3	17.0 / 9.44	385 / 0.0920
Aluminio 3003	2730 / 170.4	23.6 / 13.1	893 / 0.213
Acero inoxidable 304	8000 / 499.4	17.3 / 9.61	500 / 0.119
Polipropileno sin relleno	905 / 56.5	100 / 55.6	1925 / 0.460
Compuesto PP + 40% grafito	1350 / 84.3	35 / 19.4	1250 / 0.299
Compuesto Epoxi + 5% CNT	1180 / 73.7	25 / 13.9	1050 / 0.251

Propiedades térmicas

La conductividad térmica (k) se define a través de la ley de Fourier para conducción unidimensional en estado estacionario:

q = –k · (dT/dx)

Donde q es el flujo de calor por unidad de área (W/m²), k la conductividad térmica (W/(m·K)) y dT/dx el gradiente de temperatura (K/m). Los valores de k para materiales seleccionados se presentan en la tabla siguiente.

Material	Temperatura (°C / °F)	Conductividad térmica k (W/(m·K) / BTU/(h·ft·°F))
Cobre (ETP)	0–25 / 32–77	391 / 225.9
Aluminio (puro)	0–25 / 32–77	236 / 136.3
Aluminio 3003	0–25 / 32–77	190 / 109.8
Hierro forjado	0–25 / 32–77	59 / 34.1
Acero inoxidable 304	20 / 68	14.4 / 8.32
Acero carbono 0.5% C	20 / 68	54 / 31.2
Polietileno (PE) sin relleno	20 / 68	0.35 / 0.202
Poliamida (Nylon 6) sin relleno	20 / 68	0.25 / 0.144
Compuesto PE + 50% Al₂O₃	20 / 68	2.1 / 1.21
Compuesto PP + 60% grafito	20 / 68	12 / 6.93
Compuesto Epoxi + 5% CNT	20 / 68	8 / 4.62

Aplicaciones por industria

Los materiales con alta conductividad térmica se seleccionan en función del equilibrio entre prestaciones térmicas, peso y costo.

Industria	Componentes típicos	Materiales preferentes
Electrónica y semiconductores	Disipadores de calor, encapsulados de chips, IGBTs, LED	Cobre, aluminio, compuestos poliméricos con grafito
Automoción	Bandejas de baterías, carcasas de motor, sensores	Aluminio, compuestos de poliamida con carga cerámica
Aeroespacial	Radiadores de satélite, estructuras de paneles solares	Aleaciones de aluminio-litio, compuestos epoxi-CNT
Electrodomésticos	Intercambiadores de calor, moldes de inyección	Cobre, aceros al carbono
Energía	Tubos de caldera, colectores solares	Acero inoxidable, aluminio revestido
Equipos de protección	Cascos, escudos térmicos portátiles	Compuestos de polipropileno con grafito

Comparativa con materiales similares

Frente a los metales clásicos, los compuestos poliméricos conductores ofrecen menor densidad, mejor resistencia química y mayor flexibilidad de diseño, aunque con una conductividad térmica aún inferior. La tabla siguiente resume los atributos clave.

Material	Conductividad típica (W/(m·K) / BTU/(h·ft·°F))	Densidad (kg/m³ / lb/ft³)	Resistencia a la corrosión	Costo relativo
Cobre	391 / 225.9	8960 / 559.3	Media (se oxida)	Alto
Aluminio	236 / 136.3	2730 / 170.4	Buena (capa de alúmina)	Medio
Acero inoxidable 304	14.4 / 8.32	8000 / 499.4	Excelente	Medio
Polímero sin relleno	0.2–0.4 / 0.12–0.23	900–1200 / 56–75	Excelente	Bajo
Compuesto polímero con carga conductora	2–20 / 1.2–11.6	1100–1500 / 69–94	Buena	Medio-Bajo

Fuentes consultadas

• azom.com: https://www.azom.com/article.aspx?ArticleID=21382
• engineeringtoolbox.com: https://www.engineeringtoolbox.com/thermal-conductivity-metals-d_858.html