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Le secret de la résistance des limites thermiques : pourquoi l’interface entre les matériaux affecte-t-elle le transfert de chaleur ?
La résistance thermique limite, ou résistance à la génération de chaleur, est la mesure de la résistance au flux de chaleur entre les interfaces de deux matériaux. Ce terme est souvent utilisé de manière interchangeable avec la traînée Kabiza, mais le premier englobe plus largement le concept de résistance aux limites thermiques. À l'interface entre différents matériaux, en raison des différences de propriétés électroniques et vibrationnelles, lorsque des porteurs d'énergie (tels que les phonons ou les électrons, selon le matériau) tentent de traverser cette interface, une diffusion se produit à l'interface. Il en résulte une certaine résistance thermique à l'interface, qui à son tour conduit à une discontinuité de température importante à l'interface lorsqu'un flux de chaleur constant est appliqué.
La compréhension de la résistance thermique aux interfaces entre les matériaux est essentielle à l’étude des propriétés thermiques.
La résistance des limites thermiques joue un rôle clé non seulement dans le développement des dispositifs microélectroniques, mais a également un impact significatif dans les systèmes à l'échelle nanométrique où les interfaces peuvent grandement affecter les propriétés par rapport aux matériaux en vrac. Pour les applications qui nécessitent une dissipation efficace de la chaleur, telles que les dispositifs semi-conducteurs microélectroniques, elles ont besoin de toute urgence d'interfaces à faible résistance thermique en raison de la génération de chaleur extrêmement élevée. Selon la feuille de route technologique internationale pour les semi-conducteurs, les dispositifs avec des tailles de 8 nm devraient générer jusqu'à 100 000 W/cm² de chaleur, et la dissipation thermique effective requise peut atteindre 1 000 W/cm², ce qui est un ordre de grandeur supérieur. que les appareils actuels.
En revanche, pour les applications qui nécessitent une bonne isolation thermique, comme les turbines de moteurs à réaction, une interface à haute résistance thermique est requise. Ces matériaux d’interface doivent rester stables à très haute température ; les composites métal-céramique sont un exemple typique d’une telle application. De plus, les systèmes multicouches peuvent également atteindre une résistance thermique élevée, contribuant ainsi à élargir le potentiel d’application.
L'existence d'une résistance thermique limite est due à la diffusion des porteurs à l'interface, et le type de cette diffusion dépend des propriétés du matériau.
Aux interfaces métal-métal, l'effet de diffusion des électrons domine la résistance thermique des limites car les électrons sont les principaux porteurs d'énergie thermique dans les métaux. Il existe également deux modèles de prédiction largement utilisés, à savoir le modèle de désadaptation acoustique (AMM) et le modèle de désadaptation par diffusion (DMM). Le modèle AMM suppose que l'interface est géométriquement parfaite et que la diffusion des phonons à travers elle est purement élastique, tandis que le DMM suppose que la diffusion à l'interface est diffusive, ce qui est vrai pour les interfaces rugueuses à haute température.
La simulation de dynamique moléculaire (MD) est un outil puissant pour étudier la résistance thermique interfaciale. Les dernières recherches de MD montrent que la résistance thermique de l'interface solide-liquide est réduite sur la surface solide nanostructurée, ce qui est dû à l'augmentation de l'énergie d'interaction solide-liquide par unité de surface et à la réduction de l'interface solide-liquide. différence de densité d'état de vibration.
Modèle théorique
Le modèle principal pour la résistance des limites thermiques est le modèle de gaz de phonons, qui comprend l'AMM et le DMM mentionnés ci-dessus. Ces modèles supposent que l’interface se comporte exactement comme le matériau en vrac de chaque côté, mais ils ignorent complètement la complexité des modes vibrationnels mixtes et des interactions phononiques. L'énergie est transférée des phonons à haute énergie du matériau le plus chaud vers le matériau le plus froid. Le modèle de désadaptation acoustique et le modèle de désadaptation par diffusion ne prennent pas en compte la diffusion inélastique et les interactions multiphonons.
Selon les modèles de désadaptation acoustique et de désadaptation par diffusion, un facteur clé dans la détermination de la résistance thermique est le chevauchement des états de phonons.
Ces modèles fournissent des limites supérieures et inférieures pour certains aspects de la discussion, mais leur efficacité dans la prédiction de matériaux spécifiques est limitée. Les modèles AMM et DMM présentent des différences fondamentales dans leur traitement de la diffusion d'interface. Le premier suppose qu'il n'y a pas de diffusion à l'interface tandis que le second suppose une diffusion complète, ce qui affecte directement la probabilité de transmission des phonons à l'interface.
Analyse de cas
Interface d'hélium liquide
Le concept de résistance à l'interface thermique a été proposé pour la première fois en 1936 dans l'étude de l'hélium liquide, et en 1941, Peter Kabiza a mené une étude systématique du comportement de l'interface thermique de l'hélium liquide. Le modèle de décalage acoustique prédit une dépendance à la température de T−3, mais en fait, il ne capture pas avec précision la conductivité thermique de l'interface de l'hélium liquide.
La conductivité thermique anormalement faible des interfaces d’hélium liquide est due à une variété de mécanismes qui favorisent le transport des phonons.
Conductivité thermique à température ambiante
D’une manière générale, il existe deux types de transporteurs de chaleur dans les matériaux : les phonons et les électrons. Le gaz d'électrons libres dans les métaux conduit la chaleur très efficacement, tandis que la conduction thermique dans tous les matériaux se produit via les phonons. La conductivité thermique la plus basse à température ambiante mesurée à ce jour est de 8,5 MW m−2 K−1 dans le diamant à terminaison Bi/H, et cette mesure suggère qu'en raison des propriétés intrinsèques des matériaux, ils sont sensibles aux phonons et aux électrons. la capacité est extrêmement faible.
Résistance d'interface des nanotubes de carbone
La superbe conductivité thermique des nanotubes de carbone en fait un candidat idéal pour la fabrication de matériaux composites, mais la résistance de l'interface affecte leur conductivité thermique effective. Ce domaine est peu étudié et les quelques études qui ont été réalisées ont révélé les mécanismes sous-jacents de cette résistance.
Nous pouvons voir que la résistance thermique des limites est un phénomène dynamique d’interface microscopique, qui a un impact profond sur la conductivité thermique des matériaux. Alors, comment la conception des matériaux du futur affectera-t-elle la technologie de gestion thermique dans notre vie quotidienne ?
