Language
Country/Area
No result found
Миф о межфазном термическом сопротивлении: почему между идеальными материалами все еще существует сопротивление тепловому потоку?
В современном материаловедении термическое сопротивление интерфейса, также известное как термическое граничное сопротивление или сопротивление Капицы, является важным понятием, используемым для количественной оценки сопротивления тепловому потоку между двумя материалами. Хотя эти термины используются как взаимозаменяемые, сопротивление Капицы обычно относится к атомарно идеальному плоскому интерфейсу, тогда как термическое граничное сопротивление является более широким термином. Это термическое сопротивление отличается от контактного сопротивления, поскольку оно все еще существует даже на атомно-совершенном интерфейсе.
Когда носители энергии (такие как фононы или электроны) пытаются пересечь границу раздела, на границе происходит рассеяние из-за различий в электронных и колебательных свойствах разных материалов.
Это термическое сопротивление интерфейса приведет к ограниченному скачку температуры на интерфейсе, когда к интерфейсу прикладывается постоянный тепловой поток. Для описания этого явления было предложено множество теоретических моделей, в том числе модель фононного газа, модель акустического рассогласования (АММ) и модель диффузионного рассогласования (ДММ), которые играют важную роль в прогнозировании механизма теплового потока.
В наноразмерных системах влияние интерфейсных эффектов более существенно и играет ключевую роль в термических свойствах материалов. Когда дело доходит до приложений с высоким тепловыделением, таких как микроэлектронные полупроводниковые устройства, интерфейсы материалов с низким термическим сопротивлением имеют решающее значение для достижения эффективного рассеивания тепла. Согласно прогнозам Международной технологической дорожной карты для полупроводников (ITRS), требования к плотности теплового потока достигают 100 000 Вт/см², что является огромной проблемой по сравнению с нынешними технологиями.
Исследование термического граничного сопротивления имеет решающее значение для понимания границ раздела материалов и улучшения их тепловых свойств.
С другой стороны, в приложениях, требующих хорошей теплоизоляции, таких как турбины авиационных двигателей, могут потребоваться интерфейсы материалов с высоким термическим сопротивлением, особенно те, которые стабильны при высоких температурах. Например, для таких применений могут подойти современные металлокерамические композиты.
Что касается влияния теплового сопротивления интерфейса, есть две основные модели прогнозирования, заслуживающие внимания: модель акустического несоответствия (AMM) и модель диффузионного несоответствия (DMM). АММ предполагает, что интерфейс идеален и фононы передаются между интерфейсами упруго, в то время как ДММ предполагает, что интерфейс демонстрирует диффузионное рассеяние, что более точно в высокотемпературных средах.
Моделирование молекулярной динамики (МД) стало мощным инструментом для изучения межфазного термического сопротивления и показало, что межфазное термическое сопротивление твердого тела и жидкости можно уменьшить за счет усиления взаимодействия твердого тела и жидкости на наноструктурированных твердых поверхностях.
Что касается ограничений этих моделей, существуют существенные различия в том, как AMM и DMM обрабатывают рассеяние: AMM предполагает безупречный интерфейс, а DMM рассматривает его как интерфейс с полным рассеянием. Поэтому в действительности эти модели часто не могут эффективно описать сопротивление термоинтерфейса, но могут служить верхней и нижней границей реального поведения.
В теоретической модели, связанной с комнатной температурой, исследования жидкого гелия впервые показали существование межфазного термического сопротивления. В 1936 году межфазное сопротивление жидкого гелия было подтверждено, но фактическое поведение теплопроводности систематически не изучалось до 1941 года Петром Капицей. Предложенная им модель акустического несоответствия могла предсказать ошибку максимум на два порядка, поэтому последующие исследования постепенно перешли к другим механизмам теплопередачи.
В приложениях материаловедения углеродные нанотрубки привлекают внимание благодаря своей превосходной теплопроводности, а термическое сопротивление интерфейса является одним из ключевых факторов, влияющих на их эффективную теплопроводность. Эта область остается относительно малоизученной и вызвала большой исследовательский интерес.
По мере углубления изучения основного механизма изучению теплового сопротивления интерфейса будет уделяться все больше и больше внимания. Как эти знания будут способствовать инновациям в области терморегулирования и проектирования материалов в будущем?
