Solution LFA avancée : analyse des liquides à base de gallium

Introduction

Les métaux liquides à base de gallium (Ga) s'imposent comme des matériaux clés dans le domaine du refroidissement des composants électroniques à haute puissance, grâce à leur Conductivité électrique (SBA)La conductivité électrique est une propriété physique indiquant la capacité d'un matériau à permettre le transport d'une charge électrique.conductivité électrique et thermique exceptionnelle, ainsi qu'à leurs propriétés d'écoulement. En matière de gestion thermique, le gallium et les alliages de gallium-indium (In) peuvent servir de matériaux d’interface thermique, comblant les espaces entre les puces et les dissipateurs thermiques afin de dissiper efficacement la chaleur générée par les composants centraux tels que les processeurs (CPU) et les cartes graphiques (GPU). Cela réduit considérablement les températures de fonctionnement et garantit un fonctionnement stable des appareils. Leur efficacité de dissipation thermique dépasse de loin celle des pâtes thermiques et des coussinets thermiques. De plus, le gallium et les alliages à base de gallium possèdent une plage de températures de liquidité extrêmement large (allant de températures inférieures à zéro à plus de 2 000 °C) et une Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique bien supérieure à celle de l’eau, ce qui en fait des fluides de refroidissement par convection très prometteurs pour les puces à haute densité de puissance, les applications aérospatiales et d’autres domaines.

Il est essentiel de tester avec précision la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique du Ga et des alliages Ga-In afin de garantir leur fonctionnement sûr et efficace dans des applications critiques de gestion thermique. L’analyse par flash lumineux (LFA) permet non seulement de mesurer la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique d’échantillons solides classiques, mais aussi – à condition d’utiliser des porte-échantillons adaptés et de sélectionner des modèles de calcul appropriés – de mesurer la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique d’échantillons spéciaux tels que les liquides, les pâtes et les poudres, et ainsi de calculer leur Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique. Cette note d’application se concentre sur la méthode utilisée par l’ NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® pour déterminer la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique d’échantillons de Ga pur et d’alliages Ga-In à l’aide d’un porte-échantillon pour liquides en PEEK.

Tableau 1 : Conditions de mesure

Résultats des mesures

La figure 1 présente les résultats concernant la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique, la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique (_{Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp}) et la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique d’un échantillon de Ga pur, mesurés sur une plage de températures comprise entre 30 °C et 120 °C. À 30 °C, la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique et la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique de l’échantillon s’élevaient respectivement à 11,4 mm²/s et 26,6 W/(m·K), ce qui correspond aux valeurs rapportées dans la littérature [1]. La Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique et la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique augmentent toutes deux avec la température. La Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique (_{Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp}) a été mesurée à l’aide d’un DSC 300 d’ NETZSCH Caliris^®Select . Il convient de noter qu’en raison de la réaction violente entre le Ga et l’aluminium (Al), un creuset en platine (Pt) revêtu d’Al₂O₃ a été utilisé pour la mesure.

Le porte-échantillon liquide en PEEK repose sur une conception à trois couches. Une fois assemblé, le récipient – composé de disques supérieurs et inférieurs en acier inoxydable et d’un anneau en PEEK – peut être rempli d’échantillons liquides par injection, par ajout de gouttelettes ou par étalement (voir figure 2). Ce porte-échantillon spécial permet de tester des échantillons tels que des liquides, des métaux liquides et des pâtes.

Lors de l'utilisation de ce support, on recourt à un modèle à trois couches pour calculer la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique. La figure 3 présente la courbe d’élévation de température de l’échantillon de Ga pur à 30 °C. On constate que la courbe mesurée (en bleu) correspond très bien à la courbe ajustée au modèle (en rouge), ce qui démontre une nouvelle fois la validité et la précision des résultats d’essai obtenus à l’aide du support d’échantillon en PEEK pour liquides.

Le Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope).point de fusion du Ga pur est d'environ 29,8 °C. Il reste à l'état solide dans des conditions de température ambiante normales et ne peut pas être utilisé directement comme matériau d'interface thermique liquide ou comme fluide de travail circulant. L'ajout d'éléments tels que l'In et l'étain (Sn) au Ga forme des alliages eutectiques qui abaissent considérablement le Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope).point de fusion. Par exemple, l’alliage commercial Ga-In-Sn appelé Galinstan présente un Températures et enthalpies de fusionL'enthalpie de fusion d'une substance, également connue sous le nom de chaleur latente, est une mesure de l'apport d'énergie, généralement de la chaleur, nécessaire pour convertir une substance de l'état solide à l'état liquide. Le point de fusion d'une substance est la température à laquelle elle passe de l'état solide (cristallin) à l'état liquide (fusion isotrope).point de fusion aussi bas que -19 °C. Cela signifie qu’il reste liquide dans la plupart des conditions environnementales naturelles, ce qui élargit considérablement son champ d’application.

La figure 4 présente les résultats de Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique pour le Ga pur et les alliages GaIn (_Ga75In25) et GaInSn (_{Ga68,5In21,5Sn10}), testés à l’aide du porte-échantillon liquide en PEEK entre 30 °C et 120 °C. Il apparaît clairement que l’alliage du Ga avec l’In et le Sn entraîne une diminution de la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique. L’ajout d’In et de Sn introduit des centres supplémentaires de diffusion des électrons libres dans le Ga liquide, ce qui raccourcit le libre parcours moyen des électrons et réduit la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique, le transport de chaleur dans les métaux liquides à base de gallium étant dominé par les électrons libres [2]. La composition de l’alliage (notamment les teneurs en In et en Sn) influe considérablement sur la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique, et une mesure précise de cette dernière constitue une base pour la sélection et l’optimisation de la formulation des métaux liquides à base de gallium.

Résumé

Les métaux liquides à base de gallium peuvent s'écouler comme de l'eau tout en présentant une excellente Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique et une grande stabilité, ce qui leur confère un potentiel extraordinaire dans le domaine de la dissipation thermique. L'NETZSCH LFA 717 HyperFlash^® , associé au porte-échantillon spécial en PEEK pour les liquides et utilisant un modèle de calcul dédié à trois couches, permet de mesurer avec précision la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique des métaux liquides à base de gallium. Cela est essentiel pour évaluer avec précision la capacité de dissipation thermique des métaux liquides et proposer ainsi des solutions de gestion thermique efficaces et fiables.