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La conductividad térmica como parámetro clave
La construcción ligera se considera un motor estratégico de innovación en numerosos sectores de alta tecnología, desde el aeroespacial hasta la electromovilidad y la electrónica de potencia. Sin embargo, son precisamente estos materiales los que plantean un reto a menudo subestimado: la gestión térmica. Los polímeros tienen una baja conductividad térmica, lo que dificulta la disipación del calor. Materiales como los plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) o los compuestos poliméricos termoconductores, es decir, los polímeros con cargas, permiten mejorar las propiedades de transporte del calor, mantienen el ahorro de peso y abren nuevas libertades de diseño.
Los componentes electrónicos, los sensores y los módulos electrónicos de potencia generan cantidades considerables de calor durante su funcionamiento. Si este calor no se disipa eficazmente, existe el riesgo de que se produzcan picos de temperatura, lo que puede provocar limitaciones funcionales, envejecimiento o incluso un fallo brusco.
Para predecir las condiciones térmicamente críticas y seleccionar los materiales adecuados, es esencial conocer con precisión su conductividad térmica. Aquí es precisamente donde entra en juego la caracterización termofísica de los materiales.
El artículo arroja luz sobre el comportamiento térmico de los materiales ligeros modernos, los riesgos que entrañan para los sistemas electrónicos y cómo puede utilizarse una tecnología de medición adecuada para obtener información diferenciada sobre las propiedades de transporte del calor. Incorpora trabajos científicos actuales que muestran nuevas formas de optimizar los compuestos de polímeros y CFRP tanto mecánica como térmicamente, sin poner en peligro la integridad eléctrica de los componentes.
La conductividad térmica en la teoría y en la práctica
La conductividad térmica es un parámetro clave del comportamiento térmico de los materiales. Describe la capacidad de un material para transportar energía térmica por conducción, expresada normalmente en vatios por metro y Kelvin (W/m-K). En la práctica, una conductividad térmica elevada significa que la energía térmica puede disiparse eficazmente desde el punto de origen hacia zonas más frías. En cambio, una disipación térmica insuficiente provoca un sobrecalentamiento localizado y el fallo acelerado de los componentes electrónicos.
El análisis de la conductividad térmica en materiales anisótropos como los plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP) es especialmente complejo. Aquí, las conductividades térmicas difieren mucho entre la dirección de la fibra (en el plano) y la dirección perpendicular a ella (a través del plano). Esta fuerte anisotropía puede convertirse en un cuello de botella crítico en aplicaciones con generación de calor localizada, por ejemplo, en transistores de potencia.
Los polímeros suelen tener una conductividad térmica muy baja en su forma básica (<0,3 W/m-K), pero ofrecen un enorme potencial de optimización mediante la integración selectiva de rellenos conductores térmicos. El resumen de Ali et al. (2021) muestra varios enfoques para reforzar polímeros con fibras de carbono (FC) y el efecto que esto tiene en las propiedades de transferencia de calor. El tipo, la cantidad y la orientación de las fibras influyen significativamente en la conductividad térmica resultante.
Otro concepto es la combinación de partículas de diamante y fibras de carbono en una matriz epoxi. Esto crea una red conductora bidimensional densamente empaquetada que permite un aumento significativo de la conductividad térmica sin poner en peligro el aislamiento eléctrico (Zheng, J., et al., 2024). Esto es especialmente relevante para su uso en carcasas electrónicas, donde se requiere una elevada disipación del calor con aislamiento eléctrico simultáneo.
La evaluación cuantitativa de estas propiedades requiere métodos de medición de alta resolución y dependientes del tiempo. Los métodos clásicos de estado estacionario suelen alcanzar aquí sus límites, especialmente con materiales delgados o anisótropos. En tales casos, el método del destello láser ofrece una solución elegante al medir la difusividad térmica α mediante la respuesta transitoria a un pulso de calor definido. Junto con la capacidad calorífica específica y la densidad, a partir de ahí se puede calcular la conductividad térmica real.
Esta combinación de desarrollo de la ciencia de los materiales y tecnología de medición precisa permite comprobar específicamente la idoneidad térmica de los materiales y adaptarlos estructuralmente, un paso decisivo para el funcionamiento fiable de los sistemas electrónicos sometidos a esfuerzos térmicos en estructuras ligeras.
Analizador de Flash Láser: Precisión en la caracterización termofísica
La determinación fiable de la conductividad térmica es esencial para predecir el comportamiento de los materiales ligeros sometidos a esfuerzos térmicos. Un análisis preciso y dependiente de la dirección es especialmente importante para los materiales anisótropos o heterogéneos, como los CFRP o los compuestos poliméricos rellenos. En este ámbito, el método de flash láser se ha consolidado como uno de los métodos líderes. Una ventaja clave del LFA es que no requiere contacto térmico directo con la muestra, lo que evita errores de medición debidos a la resistencia de contacto.
El principio de medición del Analizador de Flash Láser (LFA) se basa en un método transitorio y sin contacto para determinar la difusividad térmica (α) de una probeta. La parte inferior de la muestra se calienta brevemente mediante un impulso de energía. Un detector situado en la superficie opuesta de la muestra mide el aumento de temperatura a lo largo del tiempo. La difusividad térmica puede determinarse a partir del tiempo que tarda la temperatura en alcanzar un determinado nivel.
La conductividad térmica (λ) resulta de la multiplicación de la difusividad térmica (α), la capacidad calorífica específica (cp) y la densidad (ρ):
\begin{aligned}
\lambda = \alpha \cdot c_p \cdot \rho
\quad \text{donde:} \quad
\left\{
\begin{array}{ll}
\lambda & : \text{ conductividad térmica (W/m·K)} \\
\alpha & : \text{ difusividad térmica (mm²/s)} \\
c_p & : \text{ capacidad calorífica específica (J/kg·K)} \\
\rho & : \text{ densidad (kg/m³)}
\end{array}
\right.
\end{aligned}
\)
La aplicación del ALF va más allá de la pura medición: al acoplarlo con enfoques de modelización como el análisis de elementos finitos (AEF), los valores determinados pueden transferirse directamente a simulaciones térmicas para la disposición de componentes o el diseño de carcasas. Esto da a los ingenieros la oportunidad de identificar puntos calientes críticos ya en la fase de diseño y evitarlos mediante el diseño.
Esto hace que el Analizador de Flash Láser sea una herramienta indispensable en el desarrollo de materiales y la garantía de calidad, especialmente para aplicaciones en las que el rendimiento térmico es crucial para la vida útil de los componentes electrónicos.
Estudio de caso de compuestos poliméricos: conducción térmica mediante ingeniería de relleno
Los compuestos poliméricos se encuentran entre los materiales más versátiles de la moderna ciencia de materiales. Sus propiedades mecánicas, eléctricas y térmicas pueden personalizarse mediante la selección de la matriz y el diseño del relleno. Para la gestión térmica de los sistemas electrónicos, el reto es aumentar la baja conductividad térmica intrínseca de los polímeros mediante aditivos adecuados, sin perjudicar significativamente el aislamiento eléctrico o la procesabilidad.
El resumen de Ali et al. (2021) muestra sistemáticamente cómo se puede aumentar significativamente la conductividad térmica de las resinas epoxi combinando diferentes cargas. Por ejemplo, se utilizaron partículas cerámicas como el óxido de aluminio (Al₂O₃) y fibras de carbono (FC) como aditivos conductores. En combinación, se consiguió una conductividad térmica de hasta 3,84 W/m-K con un contenido de 74% de Al₂O₃ y 6,4% de CF, lo que supone un aumento de más de 12 veces en comparación con el polímero puro(Ali, Z., et al.).
La caracterización térmica puede llevarse a cabo mediante el análisis de flash láser (LFA) para determinar con precisión la difusividad térmica en función del tipo de relleno, la geometría y la concentración. Se demuestra que, además de la fracción de volumen, la distribución espacial y la orientación de los rellenos en particular son decisivas para la eficacia del transporte de calor. La adición de CF como fase estructurante favorece la formación de caminos percoladores, que promueven eficazmente la conducción de calor punto a punto.
Un punto central del trabajo es la correlación entre la estructura del material y el resultado de la medición. Las mediciones del AGL no sólo permiten evaluar el valor absoluto de conductividad térmica, sino también sacar conclusiones sobre la homogeneidad interna y la distribución del relleno. Por ejemplo, una dispersión deficiente puede reconocerse por una mayor dispersión en los resultados.
El resultado es una clara recomendación para la práctica industrial: la conductividad térmica de los materiales poliméricos puede elevarse a un nivel adecuado para aplicaciones térmicas exigentes mediante la selección y combinación selectiva de cargas y una tecnología de procesos estructuralmente adaptada, manteniendo al mismo tiempo el aislamiento eléctrico y la integridad mecánica.
Caso práctico Red térmica 2D: el diamante y las fibras de carbono como conductores funcionales del calor
Un problema clave para muchos compuestos poliméricos con alta conductividad térmica es el conflicto entre los objetivos de eficiencia térmica y aislamiento eléctrico. Aunque los rellenos a base de carbono -como las fibras de carbono o el grafeno- son excelentes conductores térmicos, también tienen una alta conductividad eléctrica. Esto plantea un reto fundamental para las carcasas electrónicas, los materiales de las placas de circuitos impresos o los sustratos aislantes.
Zheng, et al. (2024) presentan un enfoque prometedor: una red bidimensional de partículas de diamante unidas estructuralmente en una matriz de resina epoxi mediante fibras de carbono (FC) de fibra corta. El diamante, un material eléctricamente aislante pero altamente conductor térmico, forma la columna vertebral de la estructura de transporte térmico. Las fibras de carbono sirven de eslabones y conectan lateralmente las partículas de diamante para formar una vía de calor eficaz.
Esta innovadora configuración se investigó sistemáticamente en el estudio y la caracterización térmica se llevó a cabo mediante análisis de flash láser. La conductividad térmica calculada alcanzó los 2,653 W/m-K, un valor que corresponde a un aumento de más del 1600 % en comparación con la matriz sin relleno. Al mismo tiempo, la resistencia eléctrica específica se mantuvo en torno a 1,4 ∙ 1013 Ω∙cm, lo que confirma su idoneidad como material de carcasa eléctricamente aislante.
En el concepto de material, las partículas de diamante forman la estructura primaria, CF la estructura puente – incrustada en la matriz. Esta red permite una distribución homogénea de la conducción del calor sin sobrecalentamiento en determinados puntos. El análisis de la microestructura mediante microscopía electrónica de barrido confirmó la distribución uniforme y la unión eficaz de los rellenos a la matriz.
La clave del éxito reside en la personalización geométrica y química selectiva de las partículas: el empaquetamiento apretado y la orientación controlada de la red permiten crear vías percoladoras para la conducción del calor sin riesgo de cortocircuito eléctrico.
Para aplicaciones en el campo de los componentes electrónicos de potencia, la tecnología de sensores o las estructuras de refrigeración activa, este enfoque ofrece un compromiso prometedor entre un alto rendimiento térmico y la seguridad eléctrica. El estudio de Zheng et al. demuestra de forma impresionante que las soluciones de materiales funcionales para la gestión térmica de sistemas basados en polímeros son posibles gracias a la arquitectura de relleno microestructurada y a la tecnología de medición precisa.
Resumen y recomendaciones de actuación
La capacidad de disipar eficazmente el calor de los componentes electrónicos determina cada vez más su fiabilidad y vida útil, especialmente en estructuras ligeras basadas en CFRP o compuestos poliméricos. Los estudios de casos examinados muestran de forma impresionante la gran influencia que tienen la estructura del material, la elección del relleno y el diseño geométrico en la conductividad térmica, y lo crucial que es una tecnología de medición precisa para captar estas propiedades.
El método transitorio del Análisis de Flash Láser (LFA) ha demostrado ser una herramienta indispensable en todos los casos. Su punto fuerte reside en su capacidad para proporcionar datos reproducibles y direccionalmente resueltos, incluso con muestras anisótropas y de paredes finas. Esto permite no sólo una evaluación cuantitativa, sino también extraer conclusiones sobre la eficacia de las redes térmicas estructuradas, como en el caso de la red de CF de diamante 2D (Zheng et al., 2024) o los sistemas híbridos de relleno en polímeros (Wang et al., 2020).
De estas conclusiones pueden derivarse varias recomendaciones para la práctica industrial:
- Utiliza los datos de las mediciones como base para el diseño: Las mediciones del ALF deben integrarse en el proceso de desarrollo en una fase temprana, a fin de definir unas condiciones térmicas límite realistas para el diseño del componente.
- Orienta la conducción del calor: Los materiales anisótropos, como el CFRP, deben considerarse en función de su orientación. La trayectoria del calor puede adaptarse mediante modificaciones estructurales, por ejemplo, intercalando capas.
- Utiliza rellenos híbridos: En los compuestos poliméricos, la combinación de aditivos cerámicos (aislantes eléctricos) y a base de carbono (conductores térmicos) ofrece la mejor relación entre rendimiento térmico y seguridad eléctrica.
- Planificación de redes térmicas: Las redes de conducción térmica microestructuradas demuestran el potencial de la ingeniería de rellenos dirigida, incluso con fracciones de volumen limitadas.
- Prepara la integración de la simulación: Los datos medidos con el ALF deben transferirse directamente a las simulaciones térmicas por elementos finitos para identificar los puntos calientes en una fase temprana y evitarlos en el trazado.
En general, está claro que la optimización selectiva de la conductividad térmica en CFRP y compuestos poliméricos no es producto de la casualidad, sino el resultado de una interacción controlada con precisión del diseño de materiales, la comprensión estructural-mecánica y el control metrológico. El Analizador de Flash Láser no es sólo un dispositivo de medición, sino una parte integral del desarrollo moderno de materiales en la gestión térmica de sistemas eléctricos.
Referencias
- Ali, Z., et al.
Preparación, propiedades y mecanismos de los compuestos de fibra de carbono y polímero con alta conductividad térmica
MDPI Polymers, 2021, 13(1), 169
DOI: https://doi.org/10.3390/polym13010169 - Zheng, J., et al.
Mejora de la conductividad térmica y la resistividad eléctrica del compuesto epoxídico mediante la construcción de una red 2D de partículas de diamante conectadas con fibras de carbono troceadas
Polymer Composites (2024)
DOI: https://doi.org/10.1002/pc.29728
