Introduzione
I cuscinetti distanziatori a base di silicone sono ampiamente utilizzati come materiali di interfaccia termica (TIM) nell’elettronica, nei moduli di potenza e nei sistemi di batterie. La loro funzione principale è quella di colmare gli spazi d’aria tra i componenti che generano calore e i dissipatori, compensando al contempo la rugosità superficiale e le tolleranze meccaniche. Oltre alla flessibilità meccanica, la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica del cuscinetto è uno dei parametri chiave per valutarne l’idoneità in uno specifico progetto di gestione termica.
Metodo e condizioni di misurazione
Per ottenere valori significativi della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica, specialmente a basse temperature, la misurazione LFA è idealmente integrata dalla determinazione della Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica mediante DSC. La potente combinazione di dati LFA, DSC e di densità fornisce un quadro completo e affidabile delle prestazioni termiche del materiale.
Pertanto, la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica è stata misurata mediante analisi laser flash utilizzando il sistema NETZSCH LFA 717 HyperFlash® . La Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica (Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp) è stata determinata separatamente tramite DSC utilizzando il sistema NETZSCH DSC 204 F1 Phoenix®. Insieme alla densità del campione, la conducibilità termica è stata calcolata secondo la formula:
con
λ = conducibilità termica in W/(m·K)
α = Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica in mm²/s
Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp = Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica in J/(g·K)
ρ = densità in g/cm³
Le misurazioni sono state effettuate in atmosfera di azoto. La misurazione DSC è stata utilizzata per determinare la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica e le transizioni energetiche del cuscinetto in silicone. In totale sono stati testati due campioni e, per il calcolo della conducibilità termica, sono stati utilizzati i valori medidi Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp.
La misurazione LFA ha fornito la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica in funzione della temperatura.
La tabella 1 riporta le condizioni di misura per DSC e LFA.
Tabella 1: Condizioni di misurazione per DSC e LFA
| Metodo | DSC | LFA |
|---|---|---|
| Strumento | DSC 204 F1 Phoenix® | LFA 717 HyperFlash® |
| Atmosfera | Azoto | Azoto |
| Programma di temperatura | da -150 °C a 310 °C | da -100 °C a 300 °C |
| Velocità di riscaldamento | 10 K/min | 10 K/min |
| Massa del campione | Campione 1: 11,205 mg; Campione 2: 11,224 mg | - |
| Dimensioni del campione | Ø 4 mm, spessore 1 mm | 20 mm x 20 mm x 0,8 mm |
| Sensore/termocoppia | DSC 204 F1 sensore T, tipo E | MCT, tipo K |
Risultati
La misurazione DSC mostra la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica del cuscinetto in silicone in funzione della temperatura tra -150 °C e 310 °C (Figura 1). A basse temperature, si osserva una transizione vetrosa a circa -121 °C. La variazione della Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica alla transizione vetrosa è di circa 0,09 J/(g·K). A circa -41 °C si verifica un picco EndotermicoUna transizione campionaria o una reazione è endotermica se per la conversione è necessario il calore.endotermico pronunciato, attribuito alla transizione di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione di domini cristallini o ordinati legati al silicone. L’entalpia di Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa). fusione misurata è di circa 23 J/g.
I risultati mostrano un aumento graduale delCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp all’aumentare della temperatura, come previsto per i materiali polimerici. L’effetto EndotermicoUna transizione campionaria o una reazione è endotermica se per la conversione è necessario il calore.endotermico intorno a -41 °C non è stato utilizzato direttamente per il calcolo della conducibilità termica. Si è invece proceduto all’interpolazione della curvadel Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp in questa regione di transizione, al fine di evitare di includere i contributi del calore latente nel calcolo della conducibilità.
La Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica del cuscinetto in silicone diminuisce in modo continuo all’aumentare della temperatura, come illustrato nella Figura 2. A basse temperature, intorno ai -100 °C, la diffusività è pari a circa 0,18 mm²/s. A temperatura ambiente si osservano valori intorno a 0,14 mm²/s. A 300 °C, la diffusività scende a circa 0,08 mm²/s.
Questo comportamento è tipico dei materiali a base polimerica. Con l’aumentare della temperatura, il trasporto dei fononi diventa meno efficiente a causa della crescente mobilità molecolare e dell’intensificarsi dei processi di diffusione. Di conseguenza, la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica diminuisce, nonostante l’aumento della Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica.
La conducibilità termica calcolata rimane entro un intervallo relativamente ristretto nell’intervallo di temperatura esaminato. A basse temperature, la conducibilità è pari a circa 0,25 W/(m·K). Con l’aumentare della temperatura, la conducibilità diminuisce e raggiunge valori di circa 0,17 W/(m·K) a 300 °C.
Conclusione
Questo esempio dimostra che l’ LFA 717 HyperFlash® e fornisce dati affidabili sulla Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica in un ampio intervallo di temperature – comprese le difficili condizioni criogeniche – grazie alla sua elevata sensibilità e al preciso controllo della temperatura, anche con cuscinetti di interfaccia a base di silicone a reazione lenta. Soprattutto nell’intervallo delle basse temperature, la determinazione supplementare della Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica mediante DSC è fondamentale, poiché solo la combinazione dei dati LFA, dei valoridi cp e della densità consente un calcolo affidabile della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica. Questa capacità di fornire risultati affidabili anche al di sotto della temperatura ambiente rappresenta un chiaro vantaggio per lo sviluppo dei moderni TIM a base di silicone.