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O segredo da resistência térmica de contorno: por que a interface entre os materiais afeta a transferência de calor?
A resistência de limite térmico, ou resistência à geração de calor, é a medida da resistência ao fluxo de calor entre as interfaces de dois materiais. Este termo é frequentemente usado de forma intercambiável com arrasto de Kabiza, mas o primeiro abrange mais amplamente o conceito de resistência de limite térmico. Na interface entre diferentes materiais, devido às diferenças nas propriedades eletrônicas e vibracionais, quando portadores de energia (como fônons ou elétrons, dependendo do material) tentam cruzar essa interface, ocorre espalhamento na interface. Isso resulta em uma certa quantidade de resistência térmica na interface, o que por sua vez leva a uma descontinuidade significativa de temperatura na interface quando um fluxo de calor constante é aplicado.
Compreender a resistência térmica nas interfaces entre materiais é crucial para o estudo das propriedades térmicas.
A resistência de limite térmico desempenha um papel fundamental não apenas no desenvolvimento de dispositivos microeletrônicos, mas também tem um impacto significativo em sistemas em nanoescala, onde as interfaces podem afetar muito as propriedades em comparação com materiais a granel. Para aplicações que exigem dissipação de calor eficaz, como dispositivos semicondutores microeletrônicos, são necessárias urgentemente interfaces com baixa resistência térmica devido à geração de calor extremamente alta. De acordo com o Roteiro Tecnológico Internacional para Semicondutores, espera-se que dispositivos com tamanhos de recursos de 8 nm gerem até 100.000 W/cm² de calor, e a dissipação de calor efetiva necessária pode ser tão alta quanto 1.000 W/cm², o que é uma ordem de magnitude maior do que os dispositivos atuais.
Por outro lado, para aplicações que exigem bom isolamento térmico, como turbinas de motores a jato, é necessária uma interface com alta resistência térmica. Esses materiais de interface devem permanecer estáveis em temperaturas muito altas; compósitos metalocerâmicos são um exemplo típico de tal aplicação. Além disso, os sistemas multicamadas também podem atingir alta resistência térmica, ajudando a expandir o potencial de aplicação.
A existência de resistência térmica de contorno é devida à dispersão de portadores na interface, e o tipo dessa dispersão depende das propriedades do material.
Nas interfaces metal-metal, o efeito de espalhamento dos elétrons domina a resistência do limite térmico porque os elétrons são os principais transportadores de energia térmica nos metais. Existem também dois modelos de previsão amplamente utilizados, o modelo de incompatibilidade acústica (AMM) e o modelo de incompatibilidade de difusão (DMM). O modelo AMM assume que a interface é geometricamente perfeita e que a dispersão de fônons através dela é puramente elástica, enquanto o DMM assume que a dispersão na interface é difusiva, o que é verdadeiro para interfaces rugosas em altas temperaturas.
A simulação de dinâmica molecular (MD) é uma ferramenta poderosa para estudar a resistência térmica interfacial. As últimas pesquisas de MD mostram que a resistência térmica da interface sólido-líquido é reduzida na superfície sólida nanoestruturada, o que se deve ao aumento da energia de interação sólido-líquido por unidade de área e à redução da interface sólido-líquido. diferença de densidade do estado de vibração.
Modelo Teórico
O principal modelo para resistência de limite térmico é o modelo de gás fônon, que inclui o AMM e o DMM mencionados acima. Esses modelos pressupõem que a interface se comporta exatamente como o material em massa em ambos os lados, mas ignoram completamente a complexidade dos modos vibracionais mistos e das interações dos fônons. A energia é transferida de fônons de alta energia no material mais quente para o material mais frio. Tanto o modelo de incompatibilidade acústica quanto o modelo de incompatibilidade de difusão não levam em conta o espalhamento inelástico e as interações multifônons.
De acordo com os modelos de incompatibilidade acústica e de difusão, um fator-chave na determinação da resistência térmica é a sobreposição dos estados dos fônons.
Esses modelos fornecem limites superiores e inferiores para alguns aspectos da discussão, mas sua eficácia na previsão de materiais específicos é limitada. Os modelos AMM e DMM têm diferenças fundamentais em seu tratamento de espalhamento de interface. O primeiro assume que não há espalhamento na interface, enquanto o último assume espalhamento completo, o que afeta diretamente a probabilidade de transmissão de fônons na interface.
Análise de Caso
Interface de hélio líquido
O conceito de resistência na interface térmica foi proposto pela primeira vez em 1936 no estudo do hélio líquido e, em 1941, Peter Kabiza conduziu um estudo sistemático do comportamento da interface térmica do hélio líquido. O modelo de incompatibilidade acústica prevê uma dependência de temperatura de T−3, mas na verdade não captura com precisão a condutividade térmica da interface de hélio líquido.
A condutividade térmica anormalmente baixa das interfaces de hélio líquido é devida a uma variedade de mecanismos que promovem o transporte de fônons.
Condutividade térmica à temperatura ambiente
De modo geral, existem dois tipos de transportadores de calor nos materiais: fônons e elétrons. O gás de elétrons livres nos metais conduz calor de forma muito eficiente, enquanto a condução de calor em todos os materiais ocorre por meio de fônons. A menor condutividade térmica em temperatura ambiente medida até o momento é de 8,5 MW m−2 K−1 em diamante terminado em Bi/H, e essa medição sugere que, devido às propriedades intrínsecas dos materiais, eles são sensíveis a fônons e elétrons. O acoplamento a capacidade é extremamente baixa.
Resistência da interface dos nanotubos de carbono
A excelente condutividade térmica dos nanotubos de carbono os torna candidatos ideais para a fabricação de materiais compostos, mas a resistência da interface afeta sua condutividade térmica efetiva. Essa área é pouco pesquisada, e os poucos estudos realizados revelaram os mecanismos subjacentes dessa resistência.
Podemos ver que a resistência térmica do limite é um fenômeno dinâmico de interface microscópica, que tem um impacto profundo na condutividade térmica dos materiais. Então, como o design futuro dos materiais afetará a tecnologia de gerenciamento térmico em nossa vida diária?
