Introdução
Os metais líquidos à base de gálio (Ga) estão se tornando materiais essenciais no campo do resfriamento de componentes eletrônicos de alta potência, devido à sua excepcional Condutividade elétrica (SBA)A condutividade elétrica é uma propriedade física que indica a capacidade de um material de permitir o transporte de uma carga elétrica.condutividade elétrica, Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica e propriedades de fluidez. No gerenciamento térmico, o Ga e as ligas de Ga-índio (In) podem atuar como materiais de interface térmica, preenchendo os espaços entre os chips e os dissipadores de calor para dissipar com eficiência o calor gerado por componentes centrais, como CPUs e GPUs. Isso reduz significativamente as temperaturas de operação e garante o funcionamento estável dos dispositivos. Sua eficiência de dissipação térmica supera em muito a da pasta térmica e das almofadas térmicas. Além disso, o Ga e as ligas à base de Ga possuem uma faixa de temperatura de estado líquido extremamente ampla (de temperaturas abaixo de zero a mais de 2.000 °C) e uma Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica muito superior à da água, tornando-os meios de resfriamento convectivo altamente promissores para chips de alta DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade de potência, aplicações aeroespaciais e outros campos.
Testes precisos da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica do Ga e das ligas de Ga-In são essenciais para garantir seu funcionamento seguro e eficiente em aplicações críticas de gerenciamento térmico. A Análise por Laser/Flash de Luz (LFA) não apenas mede a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica de amostras sólidas convencionais, mas também — ao utilizar suportes de amostra apropriados e selecionar modelos de cálculo adequados — pode medir a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica de amostras especiais, como líquidos, pastas e pós, e, assim, calcular sua Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica. Esta Nota de Aplicação enfoca o método utilizado pelo NETZSCH LFA 717 HyperFlash® para determinar a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica de amostras de Ga puro e de ligas de Ga-In utilizando um suporte de amostra líquido de PEEK.
Tabela 1: Condições de medição
| Amostra | Ga puro GaIn (Ga75In25) GaInSn (Ga68,5In21,5Sn10) |
| Temperatura | 30 °C, 60 °C, 90 °C, 120 °C |
| Suporte de amostra | Suporte de amostra em PEEK para líquidos |
| Capacidade térmica específica | DSC 300 Caliris®Select |
| Atmosfera | N₂ |
| Modelo | 3 camadas + correção de pulso |
Resultados das medições
A Figura 1 mostra os resultados relativos à Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica, à capacidade térmica específica (Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp) e à Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica de uma amostra de Ga puro, medidos em uma faixa de temperatura de 30 °C a 120 °C. A 30 °C, a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica e a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica da amostra foram de 11,4 mm²/s e 26,6 W/(m·K), respectivamente, o que é consistente com os valores relatados na literatura [1]. Tanto a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica quanto a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica aumentam com o aumento da temperatura. A capacidade térmica específica (Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp) foi medida utilizando um DSC 300 da NETZSCH Caliris®Select . Deve-se observar que, devido à reação agressiva entre o Ga e o alumínio (Al), foi utilizado para a medição um cadinho de platina (Pt) revestido com Al₂O₃.
O suporte para amostras líquidas em PEEK é baseado em um modelo de três camadas. Após a montagem, as amostras líquidas podem ser colocadas no recipiente — composto por discos superiores e inferiores de aço inoxidável e um anel de PEEK — por meio de injeção, adição de gotículas ou espalhamento (ver Figura 2). Esse suporte especial para amostras pode ser utilizado para testar amostras como líquidos, metais líquidos e pastas.
Ao utilizar este suporte, emprega-se um modelo de três camadas para calcular a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica. A Figura 3 mostra a curva de aumento de temperatura da amostra de Ga puro a 30 °C. Pode-se observar que a curva medida (azul) se ajusta muito bem à curva ajustada pelo modelo (vermelha), demonstrando ainda mais a validade e a precisão dos resultados dos testes obtidos com o suporte de amostras PEEK para líquidos.
O Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica).ponto de fusão do Ga puro é de aproximadamente 29,8 °C. Ele permanece no estado sólido em condições típicas de temperatura ambiente e não pode ser utilizado diretamente como material de interface térmica líquido ou como fluido de trabalho que flui. A adição de elementos como o In e o estanho (Sn) ao Ga forma ligas eutéticas que reduzem significativamente o Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica).ponto de fusão. Por exemplo, a liga comercial de Ga-In-Sn, chamada Galinstan, tem um Temperaturas e entalpias de fusãoA entalpia de fusão de uma substância, também conhecida como calor latente, é uma medida da entrada de energia, normalmente calor, necessária para converter uma substância do estado sólido para o líquido. O ponto de fusão de uma substância é a temperatura na qual ela muda de estado, passando do sólido (cristalino) para o líquido (fusão isotrópica).ponto de fusão de até -19 °C. Isso significa que ela permanece líquida na maioria das condições ambientais naturais, ampliando consideravelmente sua gama de aplicações.
A Figura 4 mostra os resultados da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica do Ga puro e das ligas GaIn (Ga75In25) e GaInSn (Ga68,5In21,5Sn10), testadas utilizando o suporte de amostra líquido de PEEK na faixa de 30 °C a 120 °C. É evidente que a ligação do Ga com In e Sn leva a uma diminuição na Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica. A adição de In e Sn introduz centros adicionais de espalhamento de elétrons livres no Ga líquido, encurtando o caminho livre médio dos elétrons e reduzindo a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica, uma vez que o transporte de calor nos metais líquidos à base de gálio é dominado por elétrons livres [2]. A composição da liga (incluindo os teores de In e Sn) afeta significativamente a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica, e a medição precisa da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica fornece uma base para a triagem e a otimização da formulação de metais líquidos à base de gálio.
Resumo
Os metais líquidos à base de gálio podem fluir como a água e, ao mesmo tempo, apresentam excelente Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica e estabilidade, demonstrando um potencial extraordinário no campo da dissipação de calor. O NETZSCH LFA 717 HyperFlash® , combinado com o suporte especial de amostras em PEEK para líquidos e utilizando um modelo de cálculo dedicado de três camadas, pode medir com precisão a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica de metais líquidos à base de gálio. Isso é muito importante para avaliar com precisão a capacidade de dissipação de calor dos metais líquidos e, assim, oferecer soluções eficientes e confiáveis de gerenciamento térmico.