Introducción
La gestión del calor es un tema importante para una amplia gama de aplicaciones, y su relevancia no deja de crecer. Esto se aplica especialmente a los dispositivos electrónicos y optoelectrónicos modernos de alta potencia (aplicaciones 5G, computación de alta velocidad o chips semiconductores de alta potencia), que generan una cantidad significativa de calor en espacios extremadamente e small es. Para disipar rápidamente el calor, es necesario colocar disipadores térmicos o recubrimientos térmicos fabricados con materiales de alta 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 en la fuente de calor (como radiadores, ventiladores, disipadores térmicos, etc.).
En la búsqueda de materiales óptimos, el diamante se ha revelado como una solución prometedora. El diamante no solo es uno de los materiales más duros que se producen actualmente a escala industrial, sino que también presenta 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 conocidos. A temperatura ambiente, su 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 puede superar los 2000 W/(m·K), lo que supone aproximadamente entre cuatro y cinco veces más que la del cobre o la plata. Combinado con su coeficiente de expansión térmica excepcionalmente bajo y sus propiedades de aislamiento eléctrico a temperatura ambiente, el diamante es un material excepcional para aplicaciones avanzadas de gestión térmica. A la hora de utilizar el diamante en la gestión térmica, resulta especialmente crucial evaluar con precisión su 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. 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 ultraalta del diamante y su transparencia óptica extremadamente elevada plantean importantes retos a la hora de realizar mediciones precisas de su rendimiento térmico. Por consiguiente, la selección de los métodos e instrumentos de ensayo térmico, junto con las técnicas de ensayo, cobra igual importancia.
En este contexto, el análisis por láser o flash de luz (LFA), una técnica de medición térmica sin contacto, resulta muy adecuado para evaluar 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 de materiales con alta 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. Este ejemplo de aplicación presentará principalmente el método de ensayo de muestras con alta 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 y muestras transparentes, como el diamante, utilizando el sistema de análisis de destellos de luz/láser NETZSCH LFA 717 HyperFlash®, así como las técnicas experimentales implicadas en el proceso de ensayo.
Caracterización a través del plano
La figura 1 muestra 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, la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica y 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 de una muestra de diamante de 2,69 mm de espesor. Se observa que 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 de la muestra a temperatura ambiente es de aproximadamente 1100 mm²/s, mientras que su 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 ronda los 2000 W/(m·K). 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 de la muestra de diamante disminuye rápidamente al aumentar la temperatura, debido al fuerte incremento de la dispersión fonón-fonón (procesos de Umklapp) [1]. A 300 °C, 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 de esta muestra desciende por debajo de los 1000 W/(m·K), lo que indica que 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 se ve significativamente afectada por los cambios de temperatura. En la tabla 1 se detallan las condiciones de medición.
Tabla 1: Condiciones de medición del LFA
| Muestra | Diamante |
|---|---|
| Preparación de la muestra | Recubierta mediante pulverización catódica con oro y recubierta con una fina capa de grafito |
| Tamaño de la muestra | 10 mm; espesor: 2,69 mm |
| Soporte de la muestra | Ranura cuadrada para 4 muestras |
| Rango de temperatura | De temperatura ambiente a 500 °C |
| Atmósfera | Nitrógeno |
| Ancho de pulso | 50 μs |
| Modelo | Transparente |
Al analizar 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 tan elevada mediante LFA, es esencial minimizar la duración del pulso de luz y su energía para obtener resultados precisos y fiables a la temperatura requerida. El LFA 717 combina una anchura de pulso ajustable en un amplio rango, de 10 a 1500 µs, con un detector de alta sensibilidad y una frecuencia de adquisición de datos de 2 MHz, lo que garantiza una caracterización precisa 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 incluso en muestras de diamante.
Preparación de la muestra y su influencia
Durante los ensayos LFA, las muestras suelen recubrirse con grafito para mejorar su capacidad de absorción y emisión de radiación luminosa en la superficie, al tiempo que se reduce la reflectividad (véase la figura 2). En el caso de las muestras convencionales, la influencia del recubrimiento de grafito en 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 es insignificante. Sin embargo, en el caso del diamante —en particular, el diamante monocristalino, que presenta 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 excepcionalmente alta—, no se puede ignorar el impacto del recubrimiento de grafito. Los recubrimientos de grafito excesivamente gruesos reducen significativamente 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 medida. Por el contrario, un espesor de recubrimiento insuficiente no permite absorber completamente la luz, y la transmisión de luz hacia el interior de la muestra (debido a la elevada transmitancia luminosa del diamante) compromete la calidad de la señal del detector y, por lo tanto, la precisión del análisis. Una solución eficaz al respecto consiste en depositar una fina capa de oro pulverizado sobre la superficie de la muestra de diamante para hacerla efectivamente opaca, seguida de una fina capa de grafito para mejorar su capacidad de absorción y emisión de radiación.
Mediciones en diamantes con distintos recubrimientos
La tabla 2 presenta 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 de una muestra de diamante monocristalino con un espesor de 1,948 mm, comparando los efectos de cuatro métodos de recubrimiento superficial: recubrimientos de grafito de una, dos y tres capas, así como pulverización catódica de oro seguida de un recubrimiento fino de grafito a temperatura ambiente. Se observa que, cuando el grafito se recubre directamente sobre la muestra, cada capa de grafito aumenta el espesor de la muestra en aproximadamente 10 μm. El espesor de la muestra aumentó en unos 30 μm tras aplicar tres capas de grafito. En consecuencia, 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 de la muestra de diamante disminuyó al aumentar el espesor del recubrimiento de grafito. Tal y como se esperaba, la combinación de un recubrimiento fino de oro pulverizado con una capa fina e incompleta de grafito minimiza la influencia del recubrimiento superficial requerido en el análisis.
Tabla 2: 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 a temperatura ambiente y espesor de la muestra de diamante tras el recubrimiento superficial según cuatro métodos. Espesor original de la muestra antes del recubrimiento: 1,948 mm.
| Preparación de la muestra | Espesor (mm) | 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 (mm²/s) |
|---|---|---|
| Una vez recubierta con grafito | 1,960 | 1093,16 |
| Con dos capas de grafito | 1,969 | 1011,42 |
| Con tres capas de grafito | 1,978 | 731,84 |
| Capa de oro depositada por pulverización catódica + recubrimiento fino de grafito | 1,956 | 1223,25 |
Para verificar los resultados obtenidos en cuanto a 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, se analizaron dos muestras adicionales de diamante con diferentes espesores (0,915 y 3,001 mm). La coherencia de los valores de 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 de las tres muestras —todos en torno a los 1240 mm²/s, con una desviación estándar inferior al 3 %— pone de manifiesto la elevada reproducibilidad de este análisis realizado con el LFA 717 de NETZSCH (véase la Tabla 3). Cabe destacar que las señales del detector registradas para las tres muestras mostraron una excelente concordancia con las curvas ajustadas al modelo, tal y como se ilustra en la figura 3.
Tabla 3: 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 de muestras de diamante con diferentes espesores (con un fino recubrimiento de oro depositado por pulverización catódica y una capa parcial de grafito).
| Muestra | 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 (mm²/s) |
|---|---|
| Diamante-0,915 mm | 1225,25 |
| Diamante-1,948 mm | 1223,25 |
| Diamante-3,001 mm | 1277,61 |
Conclusión
Las mediciones realizadas con el sistema LFA 717 HyperFlash® demuestran su excelente capacidad para determinar con precisión las propiedades térmicas de materiales extremadamente complejos, como el diamante, que combina 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 con una transparencia óptica significativa. Los resultados ponen de manifiesto que, cuando se aplican estrategias adecuadas de preparación de la superficie y de evaluación, es posible obtener datos fiables y altamente reproducibles incluso en condiciones de medición exigentes.
Para este tipo de muestras, se aplicó un método de recubrimiento combinado —una pulverización catódica inicial de oro seguida de una fina capa de grafito— con el fin de garantizar una calidad óptima de la señal en las curvas de aumento de temperatura. Esta preparación permitió una detección estable de la señal y mejoró significativamente la calidad de los datos. A partir del comportamiento de la señal resultante, se seleccionó el modelo de evaluación más adecuado (modelo estándar o transparente), lo que garantizó una determinación precisa 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 general, el LFA 717 demostró ofrecer una alta precisión y robustez en la medición, al tiempo que proporcionaba opciones de análisis flexibles que permiten una caracterización fiable de materiales con propiedades térmicas y ópticas extremas.