جدول المحتويات
الموصلية الحرارية كمعامل رئيسي
يُعتبر البناء خفيف الوزن محركاً استراتيجياً للابتكار في العديد من قطاعات التكنولوجيا الفائقة – من الفضاء إلى التنقل الكهربائي وإلكترونيات الطاقة. ومع ذلك، فإن هذه المواد تحديداً هي التي تشكل تحدياً غالباً ما يتم التقليل من أهميته:
تولد المكونات الإلكترونية والمستشعرات ووحدات إلكترونيات الطاقة كميات كبيرة من الحرارة أثناء التشغيل. إذا لم يتم تبديد هذه الحرارة بكفاءة، فهناك خطر حدوث قمم في درجات الحرارة، مما قد يؤدي إلى قصور وظيفي أو تقادم أو حتى تعطل مفاجئ.
من أجل التنبؤ بالظروف الحرجة حراريًا واختيار المواد المناسبة بطريقة مستهدفة، من الضروري معرفة دقيقة لموصلية المواد الحرارية. وهنا بالتحديد يأتي دور توصيف المواد الفيزيائية الحرارية.
يسلط المقال الضوء على السلوك الحراري للمواد الحديثة خفيفة الوزن والمخاطر التي تنشأ عن الأنظمة الإلكترونية وكيف يمكن استخدام تكنولوجيا القياس المناسبة لاكتساب رؤى متباينة حول خصائص نقل الحرارة. ويتضمن العمل العلمي الحالي الذي يُظهر طرقًا جديدة لتحسين مركبات البوليمر وألياف الكربون المقوّاة بألياف الكربون من الناحيتين الميكانيكية والحرارية – دون تعريض السلامة الكهربائية للمكونات للخطر.
التوصيل الحراري نظرياً وعملياً
الموصلية الحرارية هي معلمة رئيسية للسلوك الحراري للمواد. وهي تصف قدرة المادة على نقل الطاقة الحرارية عن طريق التوصيل الحراري، وعادةً ما يتم التعبير عنها بالواط لكل متر وكلفن (W/m-K). ومن الناحية العملية، تعني الموصلية الحرارية العالية أنه يمكن تبديد الطاقة الحرارية بكفاءة من نقطة المنشأ إلى مناطق أكثر برودة. ومن ناحية أخرى، يؤدي التبديد غير الكافي للحرارة إلى ارتفاع درجة الحرارة الموضعي وتسارع تعطل المكونات الإلكترونية.
يعد تحليل التوصيل الحراري في المواد متباينة الخواص مثل البلاستيك المقوى بألياف الكربون (CFRP) معقدًا بشكل خاص. حيث تختلف الموصلية الحرارية هنا اختلافًا كبيرًا بين اتجاه الألياف (داخل المستوى) والاتجاه العمودي عليه (عبر المستوى). يمكن أن يصبح هذا التباين القوي في الخواص الحرارية عنق زجاجة حرج في التطبيقات ذات التوليد الحراري الموضعي – على سبيل المثال تحت ترانزستورات الطاقة.
تتمتع البوليمرات عادةً بموصلية حرارية منخفضة جدًا في شكلها الأساسي (<0.3 واط/م-ك)، ولكنها توفر إمكانات هائلة للتحسين من خلال الدمج المستهدف للمواد المالئة الموصلة للحرارة. تُظهر النظرة العامة التي أعدها علي وآخرون (2021) طرقًا مختلفة لتعزيز البوليمرات بألياف الكربون وتأثير ذلك على خصائص نقل الحرارة. يؤثر نوع وكمية وتوجيه الألياف تأثيرًا كبيرًا على التوصيل الحراري الناتج.
وثمة مفهوم آخر يتمثل في الجمع بين جزيئات الماس وألياف الكربون في مصفوفة إيبوكسي. ويؤدي ذلك إلى إنشاء شبكة موصلة ثنائية الأبعاد معبأة بكثافة تسمح بزيادة كبيرة في التوصيل الحراري دون تعريض العزل الكهربائي للخطر (Zheng, J. et al., 2024). وهذا مناسب بشكل خاص للاستخدام في العلب الإلكترونية، حيث يلزم تبديد الحرارة العالية مع عزل كهربائي متزامن.
يتطلب التقييم الكمي لهذه الخصائص طرق قياس عالية الدقة تعتمد على الوقت. غالبًا ما تصل طرق الحالة المستقرة الكلاسيكية إلى حدودها القصوى هنا، خاصةً مع المواد الرقيقة أو متباينة الخواص. في مثل هذه الحالات، تقدم طريقة الوميض الليزري حلاً أنيقًا من خلال قياس
هذا الجمع بين تطوير علوم المواد وتكنولوجيا القياس الدقيق يجعل من الممكن اختبار المواد خصيصًا لملاءمتها الحرارية وتكييفها من الناحية الهيكلية – وهي خطوة حاسمة لعمل الأنظمة الإلكترونية المجهدة حراريًا في الهياكل خفيفة الوزن بشكل موثوق.
جهاز تحليل وميض الليزر: الدقة في التوصيف الفيزيائي الحراري
يعد التحديد الموثوق للموصلية الحرارية أمرًا ضروريًا للتنبؤ بسلوك المواد خفيفة الوزن تحت الإجهاد الحراري. يعد التحليل الدقيق المعتمد على الاتجاه مهمًا بشكل خاص للمواد متباينة الخواص أو غير المتجانسة مثل البلاستيك المقوى بألياف الكربون أو مركبات البوليمر المملوءة. هذا هو المكان الذي تستخدم فيه
يستند مبدأ القياس لجهاز تحليل الوميض بالليزر (LFA) على طريقة عابرة وغير تلامسية لتحديد الانتشار الحراري (α) لعينة الاختبار. يتم تسخين الجانب السفلي للعينة لفترة وجيزة بواسطة نبضة طاقة. يقيس كاشف على سطح العينة المقابل ارتفاع درجة الحرارة بمرور الوقت. يمكن تحديد الانتشار الحراري من الوقت الذي تستغرقه درجة الحرارة للوصول إلى مستوى معين.
تنتج الموصلية الحرارية (λ) من ضرب الانتشار الحراري (α), السعة الحرارية النوعية (cp) و والكثافة (ρ):
\(
\lambda = \alpha \cdot c_p \cdot \rho
\quad \text{mit} \quad
\begin{cases}
\lambda : \نص \{الموصلية الحرارية (W/m-K)} \\
\ ألفا : \نص : \{الموصلية الحرارية (مم²/ثانية)} \\
c_p : \\النص : \{ السعة الحرارية النوعية (جول/كجم-ك)} \\
\rho : \\نص : \{الكثافة (كجم/كجم³)}
\نهاية{cases}
\)
يتخطى تطبيق نظام LFA القياس البحت: فمن خلال اقترانه بنهج النمذجة مثل تحليل العناصر المحدودة (FEA)، يمكن نقل القيم المحددة مباشرةً إلى عمليات محاكاة حرارية لتخطيطات المكونات أو تصميمات المساكن. وهذا يتيح للمهندسين الفرصة لتحديد النقاط الساخنة الحرجة في وقت مبكر من مرحلة التصميم وتجنبها عن طريق التصميم.
وهذا يجعل من جهاز تحليل وميض الليزر أداة لا غنى عنها في تطوير المواد وضمان الجودة – خاصةً للتطبيقات التي يكون فيها الأداء الحراري أمرًا حاسمًا بالنسبة لعمر خدمة المكونات الإلكترونية.
دراسة حالة مركبات البوليمر: التوصيل الحراري من خلال هندسة الحشو
تعد مركبات البوليمر من بين أكثر المواد تنوعًا في علم المواد الحديثة. ويمكن تخصيص خواصها الميكانيكية والكهربائية والحرارية من خلال اختيار المصفوفة وتصميم الحشو. بالنسبة للإدارة الحرارية في الأنظمة الإلكترونية، يتمثل التحدي في زيادة الموصلية الحرارية المنخفضة في جوهرها للبوليمرات باستخدام إضافات مناسبة – دون الإضرار بشكل كبير بالعزل الكهربائي أو قابلية المعالجة.
يوضح العرض العام الذي قدمه علي وآخرون (2021) بشكل منهجي كيف يمكن زيادة الموصلية الحرارية لراتنجات الإيبوكسي بشكل كبير من خلال الجمع بين مواد مالئة مختلفة. على سبيل المثال، تم استخدام جزيئات السيراميك مثل أكسيد الألومنيوم (Al₂O₃) وألياف الكربون (CF) كإضافات موصلة. وقد تمكنت هذه المواد مجتمعةً من تحقيق توصيل حراري يصل إلى 3.84 واط/م-ك مع محتوى 74% من Al₂O₃ و6.4% من ألياف الكربون – بزيادة أكثر من 12 ضعفًا مقارنةً بالبوليمر النقي(علي، ز. وآخرون).
يمكن إجراء التوصيف الحراري باستخدام تحليل وميض الليزر (LFA) من أجل تحديد الانتشار الحراري بدقة كدالة لنوع الحشو والهندسة والتركيز. ويتضح أنه بالإضافة إلى جزء الحجم، فإن
النقطة المركزية في العمل هي العلاقة بين بنية المادة ونتائج القياس. لا تسمح قياسات LFA بتقييم قيمة الموصلية الحرارية المطلقة فحسب، بل تسمح أيضًا باستخلاص استنتاجات حول التجانس الداخلي وتوزيع الحشو. على سبيل المثال، يمكن التعرف على ضعف التشتت من خلال زيادة التشتت في النتائج.
وينتج عن ذلك توصية واضحة للممارسة الصناعية: يمكن رفع الموصلية الحرارية للمواد القائمة على البوليمر إلى مستوى مناسب للتطبيقات الحرارية الصعبة من خلال الاختيار المستهدف والمزيج من مواد الحشو وتكنولوجيا المعالجة المكيفة هيكليًا – مع الحفاظ في الوقت نفسه على العزل الكهربائي والسلامة الميكانيكية.
دراسة حالة شبكة حرارية ثنائية الأبعاد: الماس وألياف الكربون كموصلات حرارية وظيفية
تتمثل إحدى المشاكل الرئيسية للعديد من مركبات البوليمر ذات الموصلية الحرارية العالية في تضارب أهداف الكفاءة الحرارية والعزل الكهربائي. وفي حين أن مواد الحشو القائمة على الكربون – مثل ألياف الكربون أو الجرافين – هي موصلات حرارية ممتازة، إلا أنها تتمتع أيضًا بتوصيل كهربائي عالٍ. ويشكل ذلك تحديًا أساسيًا بالنسبة للمباني الإلكترونية أو مواد لوحات الدوائر المطبوعة أو الركائز العازلة.
زنغ وآخرون. (2024) نهجًا واعدًا: شبكة ثنائية الأبعاد من جزيئات الماس مرتبطة هيكليًا في مصفوفة راتنجات الإيبوكسي باستخدام ألياف الكربون قصيرة الألياف. ويشكل الماس، وهو مادة عازلة للكهرباء ولكنها موصلة للحرارة بدرجة عالية، العمود الفقري لهيكل النقل الحراري. تعمل ألياف الكربون كحلقات وصل وتربط جزيئات الماس أفقياً لتشكيل مسار حراري فعال.
تم التحقيق في هذا التكوين المبتكر بشكل منهجي في الدراسة وتم إجراء التوصيف الحراري باستخدام تحليل وميض الليزر. ووصلت الموصلية الحرارية المحسوبة من ذلك إلى 2.653 واط/م-ك – وهي قيمة تتوافق مع زيادة تزيد عن 1600% مقارنة بالمصفوفة غير المملوءة. وفي الوقت نفسه، ظلت المقاومة الكهربائية النوعية عند حوالي 1.4 ∙ 1013 Ω ∙ سم، مما يؤكد ملاءمتها كمادة عازلة للكهرباء.
في مفهوم المادة، تشكل جزيئات الماس الهيكل الأساسي، وهيكل الجسر – المدمج في المصفوفة. تتيح هذه الشبكة توزيعًا متجانسًا للتوصيل الحراري دون ارتفاع درجة الحرارة في نقاط معينة. وأكد تحليل البنية المجهرية باستخدام الفحص المجهري الإلكتروني بالمسح الضوئي التوزيع المتساوي والترابط الفعال للحشوات بالمصفوفة.
ويكمن مفتاح النجاح في التخصيص الهندسي والكيميائي المستهدف للجسيمات: فالتعبئة المحكمة والتوجيه المتحكم فيه للشبكة يجعل من الممكن إنشاء مسارات ترشيحية لتوصيل الحرارة دون المخاطرة بحدوث ماس كهربائي.
بالنسبة للتطبيقات في مجال المكونات الإلكترونية للطاقة أو تكنولوجيا الاستشعار أو هياكل التبريد النشطة، يوفر هذا النهج حلاً وسطاً واعداً بين الأداء الحراري العالي والسلامة الكهربائية. توضح الدراسة التي أجراها Zheng وآخرون بشكل مثير للإعجاب أن حلول المواد الوظيفية للإدارة الحرارية للأنظمة القائمة على البوليمر ممكنة بفضل بنية الحشو الدقيقة وتقنية القياس الدقيقة.
ملخص وتوصيات للعمل
إن القدرة على تبديد الحرارة بكفاءة من المكونات الإلكترونية تحدد بشكل متزايد موثوقيتها وعمرها التشغيلي – خاصةً في الهياكل خفيفة الوزن القائمة على مركبات البوليمر أو مركبات البوليمر. تُظهر دراسات الحالة التي تم فحصها بشكل مثير للإعجاب مدى قوة تأثير بنية المواد واختيار الحشو والتصميم الهندسي على التوصيل الحراري – ومدى أهمية تقنية القياس الدقيق من أجل التقاط هذه الخصائص.
أثبتت الطريقة العابرة لتحليل الوميض بالليزر (LFA) أنها أداة لا غنى عنها في جميع الحالات. وتكمن نقاط قوتها في قدرتها على توفير بيانات قابلة للتكرار ومحددة الاتجاه، حتى مع العينات متباينة الخواص ورقيقة الجدران. وهذا لا يسمح بإجراء تقييم كمي فحسب، بل يسمح أيضًا باستخلاص استنتاجات حول فعالية الشبكات الحرارية المنظمة – كما في حالة شبكة CF ثنائية الأبعاد من الماس (Zheng وآخرون، 2024) أو أنظمة الحشو الهجينة في البوليمرات (Wang وآخرون، 2020).
يمكن استخلاص عدة توصيات من هذه النتائج للممارسة الصناعية:
- استخدام بيانات القياس كأساس للتصميم: يجب دمج قياسات التروية الحرارية المنخفضة في عملية التطوير في مرحلة مبكرة من أجل تحديد شروط الحدود الحرارية الواقعية لتصميم المكون.
- مواءمة التوصيل الحراري بطريقة مستهدفة: يجب النظر في المواد متباينة الخواص مثل البلاستيك المقوى بألياف الكربون من حيث اعتمادها على الاتجاه. يمكن تكييف مسار الحرارة من خلال التعديلات الهيكلية – على سبيل المثال الطبقات البينية.
- استخدام الحشوات الهجينة: في مركبات البوليمر، يوفر الجمع بين المضافات الخزفية (العازلة للكهرباء) والمواد المضافة الكربونية (الموصلة للحرارة) أفضل نسبة من الأداء الحراري والسلامة الكهربائية.
- تخطيط الشبكات الحرارية: تُظهر شبكات التوصيل الحراري المجهرية إمكانية هندسة الحشو المستهدف، حتى مع وجود أجزاء محدودة الحجم.
- إعداد تكامل المحاكاة: يجب نقل البيانات التي تم قياسها باستخدام LFA مباشرةً إلى محاكاة FEM الحرارية من أجل تحديد النقاط الساخنة في مرحلة مبكرة وتجنبها في جانب التخطيط.
وعمومًا، من الواضح أن التحسين المستهدف للتوصيل الحراري في مركبات البلاستيك المقوى بألياف الكربون والبوليمر ليس نتاجًا للصدفة، ولكنه نتيجة تفاعل محكوم بدقة بين تصميم المواد والفهم الهيكلي الميكانيكي الهيكلي والتحكم في القياس. إن محلل الفلاش الليزري ليس مجرد جهاز قياس، ولكنه جزء لا يتجزأ من تطوير المواد الحديثة في الإدارة الحرارية للأنظمة الكهربائية.
المراجع
- علي، ز. وآخرون.
إعداد وخصائص وآليات مركبات ألياف الكربون/مركبات البوليمر ذات الموصلية الحرارية العالية
MDPI Polymers, 2021, 13(1), 169
DOI: https://doi.org/10.3390/polym13010169 - Zheng, J., et al.
تعزيز الموصلية الحرارية والمقاومة الكهربائية لمركب الإيبوكسي عن طريق بناء شبكة ثنائية الأبعاد متقاربة من جزيئات الماس المعبأة والمتصلة بألياف الكربون المفرومة
مركبات البوليمر (2024)
DOI: https://doi.org/10.1002/pc.29728
