Introducción
La disipación eficiente del calor es fundamental en la electrónica y la optoelectrónica de alto rendimiento, donde se producen elevadas cargas térmicas en espacios muy reducidos.
El diamante resulta especialmente adecuado para este tipo de aplicaciones, ya que combina una dureza extrema con la mayor Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica de todos los materiales naturales, superando los 2000 W/(m·K) a temperatura ambiente. Su baja dilatación térmica y su aislamiento eléctrico refuerzan aún más su uso en conceptos de refrigeración exigentes.
No obstante, la realización de ensayos precisos de la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica del diamante sigue siendo un reto debido a su excepcional capacidad de transporte de calor y a su transparencia óptica, lo que hace que la selección del método, el instrumento y el procedimiento sea fundamental.
Pruebas avanzadas a bordo
Al medir la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica del diamante en la dirección transversal al plano, normalmente se imponen requisitos específicos de espesor a la muestra [1].
Cuando la muestra es muy delgada, la transferencia de calor se produce en un tiempo extremadamente breve. Esto hace que una alta resolución temporal resulte especialmente importante para obtener una señal del detector de alta calidad. Aunque las duraciones de pulso de tan solo 10 µs permiten una mejor captura de la señal, la estrecha ventana de medición puede aumentar la complejidad de la separación de señales y el ajuste de curvas. Si se tienen debidamente en cuenta estos factores, aún es posible obtener cálculos fiables.
Tomando como ejemplo el sistema de medición de temperatura de la red de sensores de calor NETZSCH LFA 717 HyperFlash®, la frecuencia de adquisición de datos del detector es de 2 MHz, lo que da lugar a un intervalo de tiempo de 0,5 μs entre puntos de datos adyacentes. De acuerdo con la norma ASTM E1461, por lo general se requiere registrar al menos 100 puntos de datos hasta el tiempo medio (t₁/₂). Sin embargo, en el caso de muestras de diamante transparentes que presentan una Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica ultraalta, se recomiendan 250 puntos de datos, lo que da como resultado un tiempo medio de vida (t₁/₂) mínimo de 0,125 ms. El espesor mínimo de la muestra que puede someterse a ensayo (dₘᵢₙ) puede estimarse entonces de forma aproximada utilizando la fórmula de Parker, donde α es la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica en la dirección transversal al plano de la muestra:
En el caso del diamante monocristalino con un valor de α de aproximadamente 1000 mm²/s, se recomienda que el espesor de la muestra no sea inferior a 0,95 mm para garantizar una precisión suficiente en el ensayo. Aunque es posible utilizar muestras con espesores ligeramente inferiores a este valor, la calidad de la señal se verá afectada; por ejemplo, disminuirá la relación señal-ruido.
Si el espesor de la muestra es considerablemente menor que este espesor recomendado, ¿cómo se debe determinar la difusividad térmica?
En tales casos, la muestra puede someterse a ensayo utilizando un soporte en el plano (Figura 1), lo que induce un recorrido de difusión térmica más largo dentro de la muestra para medir, en su lugar, la dirección en el plano.
La tabla 1 resume los resultados de la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica en el plano obtenidos para una muestra de diamante de 0,638 mm de espesor utilizando un soporte de muestra en el plano. Las mediciones se llevaron a cabo a temperatura ambiente. Se determinó una Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica media en el plano de 1126,6 mm²/s, con una desviación estándar de 8,6 mm²/s. La escasa dispersión de los resultados individuales demuestra la excelente repetibilidad de la medición. El valor medido en el plano coincide con el rango de difusividad observado en muestras de diamante comparables analizadas en la dirección transversal al plano en la Nota de aplicación 438. Esta coincidencia confirma que la configuración LFA en el plano es adecuada para caracterizar materiales con una Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica muy elevada.
En la figura 2 se presenta la curva de aumento de temperatura correspondiente. La señal medida muestra un aumento brusco inmediatamente después del impulso luminoso, seguido de una disminución gradual. La excelente concordancia entre la curva experimental y la curva del modelo ajustado indica que el modelo de flujo térmico en el plano seleccionado representa con precisión la respuesta térmica de la muestra de diamante. La calidad estable del ajuste y la baja incertidumbre de medición respaldan la fiabilidad del valor de difusividad en el plano obtenido.
Conclusión
Los resultados demuestran claramente que el método LFA es adecuado para el estudio de materiales altamente conductores en la dirección del plano. Incluso en el caso del diamante, que presenta una propagación del calor muy rápida, la medición en el plano proporcionó resultados altamente reproducibles y fiables.
La Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica media en el plano, de 1126,6 mm²/s, junto con una desviación estándar relativa de aproximadamente el 0,76 %, confirma la estabilidad del método de medición. La excelente concordancia entre la curva de aumento de temperatura medida y el modelo ajustado respalda aún más la validez de la evaluación en el plano aplicada.
Por lo tanto, el análisis LFA en el plano constituye un método valioso para determinar las propiedades de transporte térmico direccional, especialmente en el caso de materiales delgados y altamente conductores. Con un soporte de muestra adecuado, parámetros de medición apropiados y un modelo de evaluación específico para el plano, es posible obtener datos fiables sobre la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica en el plano.
Estos valores fiables respaldan la selección de materiales, el diseño térmico y la precisión de las simulaciones, lo que contribuye a reducir el sobrecalentamiento local y a mejorar el rendimiento y la vida útil de los componentes.