Language
Country/Area
No result found
سر مقاومة الحدود الحرارية: لماذا تؤثر الواجهة بين المواد على انتقال الحرارة؟
مقاومة الحدود الحرارية، أو مقاومة توليد الحرارة، هي مقياس مقاومة تدفق الحرارة بين واجهات مادتين. غالبًا ما يتم استخدام هذا المصطلح بالتبادل مع مصطلح Kabiza drag، ولكن المصطلح الأول يشمل على نطاق أوسع مفهوم مقاومة الحدود الحرارية. عند الواجهة بين المواد المختلفة، وبسبب الاختلافات في الخصائص الإلكترونية والاهتزازية، عندما تحاول حاملات الطاقة (مثل الفونونات أو الإلكترونات، اعتمادًا على المادة) عبور هذه الواجهة، يحدث التشتت عند الواجهة. ويؤدي هذا إلى كمية معينة من المقاومة الحرارية عند الواجهة، مما يؤدي بدوره إلى انقطاع كبير في درجة الحرارة عند الواجهة عند تطبيق تدفق حراري ثابت.
تلعب مقاومة الحدود الحرارية دورًا رئيسيًا ليس فقط في تطوير الأجهزة الإلكترونية الدقيقة، بل لها أيضًا تأثير كبير في أنظمة النانو حيث يمكن للواجهات أن تؤثر بشكل كبير على الخصائص مقارنة بالمواد السائبة. بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب تبديدًا فعالًا للحرارة، مثل أجهزة أشباه الموصلات الدقيقة الإلكترونية، فإنها تحتاج بشكل عاجل إلى واجهات ذات مقاومة حرارية منخفضة بسبب توليد الحرارة العالية للغاية. وفقًا لخريطة الطريق التكنولوجية الدولية لأشباه الموصلات، من المتوقع أن تولد الأجهزة ذات أحجام الميزات 8 نانومتر ما يصل إلى 100000 واط / سم² من الحرارة، وقد يصل تبديد الحرارة الفعال المطلوب إلى 1000 واط / سم²، وهو أعلى بمقدار مرتبة واحدة من الأجهزة الحالية.إن فهم المقاومة الحرارية عند الأسطح بين المواد أمر بالغ الأهمية لدراسة الخصائص الحرارية.
على النقيض من ذلك، بالنسبة للتطبيقات التي تتطلب عزلًا حراريًا جيدًا، مثل توربينات المحرك النفاث، هناك حاجة إلى واجهة ذات مقاومة حرارية عالية. يجب أن تظل مواد الواجهة هذه مستقرة في درجات حرارة عالية جدًا؛ وتعتبر المركبات المعدنية والسيراميكية مثالاً نموذجيًا لمثل هذا التطبيق. بالإضافة إلى ذلك، يمكن للأنظمة متعددة الطبقات أيضًا تحقيق مقاومة حرارية عالية، مما يساعد على توسيع إمكانات التطبيق.
وجود مقاومة حدودية حرارية يرجع إلى تشتت الناقلات على الواجهة، ويعتمد نوع هذا التشتت على خصائص المادة.
عند الواجهات المعدنية، يهيمن تأثير تشتت الإلكترونات على مقاومة الحدود الحرارية لأن الإلكترونات هي الناقلات الرئيسية للطاقة الحرارية في المعادن. هناك أيضًا نموذجان للتنبؤ يستخدمان على نطاق واسع، وهما نموذج عدم التطابق الصوتي (AMM) ونموذج عدم التطابق الانتشاري (DMM). يفترض نموذج AMM أن الواجهة مثالية هندسيًا وأن تشتت الفونونات من خلالها مرن بحت، في حين يفترض DMM أن التشتت عند الواجهة منتشر، وهو أمر صحيح بالنسبة للواجهات الخشنة في درجات الحرارة العالية.
تعتبر محاكاة الديناميكيات الجزيئية (MD) أداة قوية لدراسة المقاومة الحرارية للواجهة. تظهر أحدث أبحاث MD أن المقاومة الحرارية لواجهة الصلب والسائل تقل على السطح الصلب النانوي، وذلك بسبب زيادة طاقة التفاعل بين الصلب والسائل لكل وحدة مساحة وتقليل واجهة الصلب والسائل. فرق كثافة حالة الاهتزاز.
النموذج النظري
النموذج الرئيسي لمقاومة الحدود الحرارية هو نموذج غاز الفونون، والذي يتضمن AMM وDMM المذكورين أعلاه. تفترض هذه النماذج أن الواجهة تتصرف تمامًا مثل المادة السائبة على كلا الجانبين، لكنها تتجاهل تمامًا تعقيد الأوضاع الاهتزازية المختلطة وتفاعلات الفونون. تنتقل الطاقة من الفونونات عالية الطاقة في المادة الأكثر سخونة إلى المادة الأكثر برودة. ولا يأخذ كل من نموذج عدم التطابق الصوتي ونموذج عدم التطابق الانتشاري في الاعتبار التشتت غير المرن وتفاعلات الفونونات المتعددة.
وفقًا لنماذج عدم التطابق الصوتي وعدم التطابق الانتشاري، فإن العامل الرئيسي في تحديد المقاومة الحرارية هو تداخل حالات الفونون.
توفر هذه النماذج حدودًا عليا وسفلية لبعض جوانب المناقشة، ولكن فعاليتها في التنبؤ بمواد محددة محدودة. تختلف نماذج AMM وDMM اختلافًا جوهريًا في معالجتها لتشتت الواجهة. يفترض الأول عدم وجود تشتت عند الواجهة بينما يفترض الثاني التشتت الكامل، مما يؤثر بشكل مباشر على احتمالية انتقال الفونون عند الواجهة.
تحليل الحالة
واجهة الهيليوم السائل
تم اقتراح مفهوم المقاومة عند الواجهة الحرارية لأول مرة في عام 1936 في دراسة الهيليوم السائل، وفي عام 1941، أجرى بيتر كابيزا دراسة منهجية لسلوك الواجهة الحرارية للهيليوم السائل. يتنبأ نموذج عدم التطابق الصوتي بالاعتماد على درجة الحرارة T−3، لكنه في الواقع لا يلتقط بدقة التوصيل الحراري لواجهة الهيليوم السائل.إن الموصلية الحرارية المنخفضة بشكل غير طبيعي لواجهات الهيليوم السائل ترجع إلى مجموعة متنوعة من الآليات التي تعزز نقل الفونون.
التوصيل الحراري في درجة حرارة الغرفة
بشكل عام، هناك نوعان من الناقلات الحرارية في المواد: الفونونات والإلكترونات. يقوم غاز الإلكترون الحر في المعادن بتوصيل الحرارة بكفاءة عالية، في حين يحدث التوصيل الحراري في جميع المواد عن طريق الفونونات. أقل موصلية حرارية تم قياسها حتى الآن في درجة حرارة الغرفة هي 8.5 ميجاوات/م2/ك في الماس المنتهي بالثنائي الهيدروجيني، ويشير هذا القياس إلى أنه بسبب الخصائص الجوهرية للمواد، فهي حساسة للفونونات والإلكترونات. القدرة منخفضة للغاية.
مقاومة واجهة الأنابيب النانوية الكربونية
إن الموصلية الحرارية الممتازة لأنابيب الكربون النانوية تجعلها مرشحة مثالية لصنع المواد المركبة، إلا أن مقاومة الواجهة تؤثر على الموصلية الحرارية الفعالة. لم تتم دراسة هذا المجال بشكل جيد، والدراسات القليلة التي أجريت كشفت عن الآليات الأساسية لهذه المقاومة.
يمكننا أن نرى أن مقاومة الحدود الحرارية هي ظاهرة ديناميكية للواجهة المجهرية، والتي لها تأثير عميق على التوصيل الحراري للمواد. إذن، كيف سيؤثر تصميم المواد المستقبلي على تكنولوجيا الإدارة الحرارية في حياتنا اليومية؟
