Language
Country/Area
No result found
El secreto de la resistencia térmica en los límites: ¿Por qué la interfaz entre materiales afecta la transferencia de calor?
La resistencia térmica límite, o resistencia a la generación de calor, es la medida de la resistencia al flujo de calor entre las interfaces de dos materiales. Este término se utiliza a menudo indistintamente con el término de resistencia de Kabiza, pero el primero abarca de forma más amplia el concepto de resistencia al límite térmico. En la interfaz entre diferentes materiales, debido a las diferencias en las propiedades electrónicas y vibracionales, cuando los portadores de energía (como los fonones o los electrones, dependiendo del material) intentan cruzar esta interfaz, se produce dispersión en la interfaz. Esto genera una cierta cantidad de resistencia térmica en la interfaz, lo que a su vez conduce a una discontinuidad de temperatura significativa en la interfaz cuando se aplica un flujo de calor constante.
Comprender la resistencia térmica en las interfaces entre materiales es crucial para el estudio de las propiedades térmicas.
La resistencia del límite térmico juega un papel clave no sólo en el desarrollo de dispositivos microelectrónicos, sino que también tiene un impacto significativo en los sistemas a nanoescala donde las interfaces pueden afectar en gran medida las propiedades en comparación con los materiales a granel. Para aplicaciones que requieren una disipación de calor efectiva, como los dispositivos semiconductores microelectrónicos, se necesitan con urgencia interfaces con baja resistencia térmica debido a la generación de calor extremadamente alta. Según la Hoja de Ruta Tecnológica Internacional para Semiconductores, se espera que los dispositivos con tamaños de características de 8 nm generen hasta 100 000 W/cm² de calor, y la disipación de calor efectiva requerida puede ser de hasta 1000 W/cm², lo que es un orden de magnitud mayor. que los dispositivos actuales.
Por el contrario, para aplicaciones que requieren un buen aislamiento térmico, como las turbinas de motores a reacción, se requiere una interfaz con alta resistencia térmica. Estos materiales de interfaz deben permanecer estables a temperaturas muy altas; los compuestos metal-cerámicos son un ejemplo típico de dicha aplicación. Además, los sistemas multicapa también pueden lograr una alta resistencia térmica, lo que ayuda a ampliar el potencial de aplicación.
La existencia de resistencia térmica en el límite se debe a la dispersión de portadores en la interfaz, y el tipo de esta dispersión depende de las propiedades del material.
En las interfaces metal-metal, el efecto de dispersión de los electrones domina la resistencia del límite térmico porque los electrones son los principales portadores de energía térmica en los metales. También existen dos modelos de predicción ampliamente utilizados: el modelo de desajuste acústico (AMM) y el modelo de desajuste de difusión (DMM). El modelo AMM supone que la interfaz es geométricamente perfecta y que la dispersión de fonones a través de ella es puramente elástica, mientras que el DMM supone que la dispersión en la interfaz es difusiva, lo que es cierto para interfaces rugosas a altas temperaturas.
La simulación de dinámica molecular (MD) es una herramienta poderosa para estudiar la resistencia térmica interfacial. Las últimas investigaciones de MD muestran que la resistencia térmica de la interfaz sólido-líquido se reduce en la superficie sólida nanoestructurada, lo que se debe al aumento de la energía de interacción sólido-líquido por unidad de área y la reducción de la interfaz sólido-líquido. Diferencia de densidad del estado de vibración.Modelo teórico
El modelo principal para la resistencia del límite térmico es el modelo de gas fonón, que incluye el AMM y el DMM mencionados anteriormente. Estos modelos suponen que la interfaz se comporta exactamente igual que el material en masa en ambos lados, pero ignoran por completo la complejidad de los modos vibracionales mixtos y las interacciones de los fonones. La energía se transfiere de los fonones de alta energía del material más caliente al material más frío. Tanto el modelo de desajuste acústico como el modelo de desajuste de difusión no tienen en cuenta la dispersión inelástica ni las interacciones entre múltiples fonones.
Según los modelos de desajuste acústico y de desajuste de difusión, un factor clave para determinar la resistencia térmica es la superposición de los estados de los fonones.
Estos modelos proporcionan límites superiores e inferiores para algunos aspectos de la discusión, pero su eficacia para predecir materiales específicos es limitada. Los modelos AMM y DMM tienen diferencias fundamentales en su tratamiento de la dispersión en la interfaz. El primero supone que no hay dispersión en la interfaz, mientras que el segundo supone una dispersión completa, lo que afecta directamente la probabilidad de transmisión de fonones en la interfaz.
Análisis de casoInterfaz de helio líquido
El concepto de resistencia en la interfaz térmica se propuso por primera vez en 1936 en el estudio del helio líquido, y en 1941, Peter Kabiza realizó un estudio sistemático del comportamiento de la interfaz térmica del helio líquido. El modelo de desajuste acústico predice una dependencia de la temperatura de T−3, pero de hecho no captura con precisión la conductividad térmica de la interfaz de helio líquido.
La conductividad térmica anormalmente baja de las interfaces de helio líquido se debe a una variedad de mecanismos que promueven el transporte de fonones.
Conductividad térmica a temperatura ambiente
En términos generales, existen dos tipos de portadores de calor en los materiales: los fonones y los electrones. El gas de electrones libres en los metales conduce el calor de manera muy eficiente, mientras que la conducción de calor en todos los materiales ocurre a través de fonones. La conductividad térmica a temperatura ambiente más baja medida hasta la fecha es de 8,5 MW m−2 K−1 en diamantes con terminación Bi/H, y esta medición sugiere que debido a las propiedades intrínsecas de los materiales, son sensibles a los fonones y electrones. La capacidad es extremadamente baja. Resistencia de la interfaz de los nanotubos de carbonoLa excelente conductividad térmica de los nanotubos de carbono los convierte en un candidato ideal para fabricar materiales compuestos, pero la resistencia de la interfaz afecta su conductividad térmica efectiva. Esta área está poco investigada y los pocos estudios que se han realizado han revelado los mecanismos subyacentes de esta resistencia.
Podemos ver que la resistencia del límite térmico es un fenómeno dinámico de interfaz microscópica, que tiene un profundo impacto en la conductividad térmica de los materiales. Entonces, ¿cómo afectará el diseño de materiales futuros a la tecnología de gestión térmica en nuestra vida diaria?
