Introdução
A dissipação eficiente do calor é fundamental em dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos de alto desempenho, nos quais ocorrem altas cargas térmicas em espaços muito confinados.
O diamante é especialmente adequado para tais aplicações, uma vez que combina extrema dureza com a maior 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 entre todos os materiais naturais, ultrapassando 2.000 W/(m·K) à temperatura ambiente. Sua baixa expansão térmica e isolamento elétrico reforçam ainda mais seu uso em conceitos de resfriamento exigentes.
No entanto, a realização de testes precisos de 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 diamante continua sendo um desafio devido ao seu excepcional transporte de calor e à sua transparência óptica, o que torna a seleção do método, do instrumento e do procedimento fundamental.
Testes avançados a bordo
Ao testar 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 do diamante na direção transversal ao plano, normalmente são impostos requisitos específicos de espessura à amostra [1].
Quando a amostra é muito fina, a transferência de calor ocorre em um intervalo de tempo extremamente curto. Isso torna a alta resolução temporal especialmente importante para a obtenção de um sinal do detector de alta qualidade. Embora durações de pulso tão curtas quanto 10 µs permitam uma melhor captura do sinal, a janela de medição estreita pode aumentar a complexidade da separação de sinais e do ajuste de curvas. Levando esses fatores em consideração de forma adequada, ainda é possível obter cálculos confiáveis.
Tomando como exemplo o sistema de medição de temperatura de alta resolução NETZSCH LFA 717 HyperFlash®, a frequência de aquisição de dados do detector é de 2 MHz, o que resulta em um intervalo de tempo de 0,5 μs entre pontos de dados adjacentes. De acordo com a norma ASTM E1461, geralmente são necessários pelo menos 100 pontos de dados para serem registrados até o tempo de meia-vida (t₁/₂). No entanto, para amostras de diamante transparentes que possuem 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 ultra-alta, recomenda-se 250 pontos de dados, resultando em um tempo de meia-vida mínimo (t₁/₂) de 0,125 ms. A espessura mínima testável da amostra (dₘᵢₙ) pode então ser estimada aproximadamente utilizando-se a fórmula de Parker, em que α é 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 na direção transversal ao plano da amostra:
Para diamantes monocristalinos com um valor de α em torno de 1.000 mm²/s, recomenda-se que a espessura da amostra não seja inferior a 0,95 mm, a fim de garantir precisão suficiente no teste. Embora amostras com espessuras ligeiramente inferiores a esse valor sejam viáveis, a qualidade do sinal se deteriorará; por exemplo, a relação sinal-ruído diminuirá.
Se a espessura da amostra for significativamente menor do que essa espessura recomendada, como se deve testar a difusividade térmica?
Nesses casos, a amostra pode ser testada utilizando um suporte no plano (Figura 1), o que induz um caminho de difusão de calor mais longo dentro da amostra para medir, em vez disso, a direção no plano.
A Tabela 1 resume os resultados da 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 no plano obtidos para uma amostra de diamante com 0,638 mm de espessura, utilizando um suporte de amostra no plano. As medições foram realizadas à temperatura ambiente. Foi determinado um valor médio de 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 no plano de 1.126,6 mm²/s, com um desvio padrão de 8,6 mm²/s. A baixa dispersão dos resultados individuais demonstra a excelente repetibilidade da medição. O valor no plano medido é consistente com a faixa de difusividade observada para amostras comparáveis de diamante analisadas na direção transversal ao plano na Nota de Aplicação 438. Essa concordância confirma que a configuração LFA no plano é adequada para caracterizar materiais com 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 muito elevada.
A curva de aumento de temperatura correspondente é apresentada na Figura 2. O sinal medido apresenta um aumento acentuado imediatamente após o impulso de luz, seguido por um decaimento gradual. A excelente concordância entre a curva experimental e a curva do modelo ajustado indica que o modelo de fluxo térmico no plano selecionado representa com precisão a resposta térmica da amostra de diamante. A qualidade estável do ajuste e a baixa incerteza de medição corroboram a confiabilidade do valor de difusividade no plano obtido.
Conclusão
Os resultados demonstram claramente que o método LFA é adequado para a investigação de materiais altamente condutores na direção no plano. Mesmo no caso do diamante, que apresenta uma propagação de calor muito rápida, a medição no plano proporcionou resultados altamente reproduzíveis e confiáveis.
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 média no plano de 1.126,6 mm²/s, combinada com um desvio-padrão relativo de aproximadamente 0,76%, confirma a estabilidade da abordagem de medição. A excelente concordância entre a curva de aumento de temperatura medida e o modelo ajustado reforça ainda mais a validade da avaliação no plano aplicada.
Portanto, a análise LFA no plano representa um método valioso para determinar propriedades direcionais de transporte térmico, particularmente para materiais finos e altamente condutivos. Com um suporte de amostra adequado, parâmetros de medição apropriados e um modelo de avaliação no plano dedicado, é possível obter dados confiáveis de 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 no plano.
Esses valores confiáveis auxiliam na seleção de materiais, no projeto térmico e na precisão da simulação, contribuindo para reduzir o superaquecimento local e melhorar o desempenho e a vida útil dos componentes.