Language
Country/Area
No result found
Секрет термического граничного сопротивления: почему интерфейс между материалами влияет на теплопередачу?
Термическое граничное сопротивление, или сопротивление тепловыделению, является мерой сопротивления тепловому потоку между границами раздела двух материалов. Этот термин часто используется взаимозаменяемо с термином «сопротивление Кабиза», но первый в более широком смысле охватывает концепцию термического граничного сопротивления. На границе раздела между различными материалами, из-за различий в электронных и колебательных свойствах, когда носители энергии (такие как фононы или электроны, в зависимости от материала) пытаются пересечь эту границу, на границе происходит рассеяние. Это приводит к возникновению определенного теплового сопротивления на границе раздела, что, в свою очередь, приводит к значительному перепаду температуры на границе раздела при приложении постоянного теплового потока.
Понимание термического сопротивления на границах раздела материалов имеет решающее значение для изучения термических свойств.
Термическое граничное сопротивление играет ключевую роль не только в разработке микроэлектронных устройств, но и оказывает существенное влияние на наносистемы, где интерфейсы могут значительно влиять на свойства по сравнению с объемными материалами. Для приложений, требующих эффективного отвода тепла, таких как микроэлектронные полупроводниковые приборы, остро необходимы интерфейсы с низким тепловым сопротивлением из-за чрезвычайно высокого тепловыделения. Согласно Международной дорожной карте по технологиям полупроводников, ожидается, что устройства с размерами элементов 8 нм будут генерировать до 100 000 Вт/см² тепла, а требуемое эффективное рассеивание тепла может достигать 1000 Вт/см², что на порядок выше. чем текущие устройства.
Напротив, для применений, требующих хорошей теплоизоляции, таких как турбины реактивных двигателей, требуется интерфейс с высоким термическим сопротивлением. Эти интерфейсные материалы должны оставаться стабильными при очень высоких температурах; типичным примером такого применения являются металлокерамические композиты. Кроме того, многослойные системы также могут обеспечивать высокую термостойкость, что позволяет расширить возможности их применения.
Существование теплового граничного сопротивления обусловлено рассеянием носителей на границе раздела, а тип этого рассеяния зависит от свойств материала.
На границах раздела металл-металл эффект рассеяния электронов доминирует над тепловым граничным сопротивлением, поскольку электроны являются основными носителями тепловой энергии в металлах. Существуют также две широко используемые модели прогнозирования, а именно модель акустического несоответствия (AMM) и модель диффузионного несоответствия (DMM). Модель AMM предполагает, что интерфейс геометрически совершенен и что рассеяние фононов через него является чисто упругим, тогда как DMM предполагает, что рассеяние на интерфейсе является диффузионным, что справедливо для шероховатых интерфейсов при высоких температурах.
Моделирование молекулярной динамики (МД) является мощным инструментом для изучения межфазного термического сопротивления. Последние исследования МД показывают, что тепловое сопротивление интерфейса твердое тело-жидкость снижается на наноструктурированной твердой поверхности, что обусловлено увеличением энергии взаимодействия твердое тело-жидкость на единицу площади и уменьшением интерфейса твердое тело-жидкость. Разница плотности состояния вибрации.
Теоретическая модель
Основной моделью для теплового граничного сопротивления является модель фононного газа, которая включает в себя упомянутые выше АММ и ДММ. Эти модели предполагают, что интерфейс ведет себя так же, как и объемный материал с обеих сторон, но они полностью игнорируют сложность смешанных колебательных мод и фононных взаимодействий. Энергия передается от высокоэнергетических фононов в более горячем материале к более холодному материалу. Как модель акустического несоответствия, так и модель диффузионного несоответствия не учитывают неупругое рассеяние и многофононные взаимодействия.
Согласно моделям акустического и диффузионного несоответствия, ключевым фактором, определяющим тепловое сопротивление, является перекрытие фононных состояний.
Эти модели дают верхние и нижние границы для некоторых аспектов обсуждения, но их эффективность в прогнозировании конкретных материалов ограничена. Модели AMM и DMM имеют принципиальные различия в трактовке рассеяния на интерфейсе. Первая предполагает, что на интерфейсе нет рассеяния, тогда как вторая предполагает полное рассеяние, что напрямую влияет на вероятность передачи фононов на интерфейсе.
Анализ случая
Интерфейс жидкого гелия
Концепция сопротивления на термическом интерфейсе была впервые предложена в 1936 году при изучении жидкого гелия, а в 1941 году Питер Кабиза провел систематическое исследование поведения термического интерфейса жидкого гелия. Модель акустического несоответствия предсказывает температурную зависимость T−3, но на самом деле она неточно отражает теплопроводность интерфейса жидкого гелия.
Аномально низкая теплопроводность интерфейсов жидкого гелия обусловлена целым рядом механизмов, способствующих переносу фононов.
Теплопроводность при комнатной температуре
Вообще говоря, в материалах существуют два типа носителей тепла: фононы и электроны. Свободный электронный газ в металлах проводит тепло очень эффективно, тогда как теплопроводность во всех материалах осуществляется посредством фононов. Самая низкая теплопроводность при комнатной температуре, измеренная на сегодняшний день, составляет 8,5 МВт м−2 К−1 в алмазе с концевыми группами Bi/H, и это измерение предполагает, что из-за внутренних свойств материалов они чувствительны к фононам и электронам. Связь возможности крайне низки.
Сопротивление интерфейса углеродных нанотрубок
Превосходная теплопроводность углеродных нанотрубок делает их идеальными кандидатами для изготовления композитных материалов, но сопротивление интерфейса влияет на их эффективную теплопроводность. Эта область изучена недостаточно, и те немногие исследования, которые были проведены, выявили основные механизмы этой резистентности.
Мы видим, что тепловое граничное сопротивление представляет собой микроскопическое динамическое явление интерфейса, которое оказывает глубокое влияние на теплопроводность материалов. Итак, как будущий дизайн материалов повлияет на технологии терморегулирования в нашей повседневной жизни?
