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La conducibilità termica come parametro chiave
Le costruzioni leggere sono considerate un motore strategico dell’innovazione in numerosi settori high-tech, dall’aerospaziale all’elettromobilità e all’elettronica di potenza. Tuttavia, proprio questi materiali rappresentano una sfida spesso sottovalutata: la gestione termica. I polimeri hanno una bassa
I componenti elettronici, i sensori e i moduli elettronici di potenza generano notevoli quantità di calore durante il funzionamento. Se questo calore non viene dissipato in modo efficiente, c’è il rischio che si verifichino picchi di temperatura che possono portare a limitazioni funzionali, all’invecchiamento o addirittura a guasti improvvisi.
Per prevedere le condizioni termicamente critiche e selezionare i materiali adatti, è essenziale conoscere con precisione la loro conducibilità termica. È proprio qui che entra in gioco la caratterizzazione termofisica dei materiali.
L’articolo fa luce sul comportamento termico dei moderni materiali leggeri, sui rischi che ne derivano per i sistemi elettronici e su come sia possibile utilizzare una tecnologia di misurazione adeguata per ottenere informazioni differenziate sulle proprietà di trasporto del calore. L’articolo incorpora l’attuale lavoro scientifico che mostra nuovi modi per ottimizzare i compositi di polimeri e CFRP sia dal punto di vista meccanico che termico, senza mettere a rischio l’integrità elettrica dei componenti.
La conducibilità termica nella teoria e nella pratica
La conduttività termica è un parametro fondamentale per il comportamento termico dei materiali. Descrive la capacità di un materiale di trasportare energia termica per conduzione, tipicamente espressa in watt per metro e Kelvin (W/m-K). In pratica, un’elevata conducibilità termica significa che l’energia termica può essere dissipata in modo efficiente dal punto di origine alle aree più fredde. Una dissipazione di calore insufficiente, invece, porta a un surriscaldamento localizzato e a un guasto accelerato dei componenti elettronici.
L’analisi della conducibilità termica in materiali anisotropi come le plastiche rinforzate con fibre di carbonio (CFRP) è particolarmente complessa. In questo caso, le conduttività termiche differiscono notevolmente tra la direzione della fibra (in-plane) e la direzione perpendicolare ad essa (through-plane). Questa forte anisotropia può diventare un ostacolo critico nelle applicazioni con generazione di calore localizzata, ad esempio nei transistor di potenza.
I polimeri hanno solitamente una conducibilità termica molto bassa nella loro forma di base (<0,3 W/m-K), ma offrono un enorme potenziale di ottimizzazione grazie all’integrazione mirata di cariche termicamente conduttive. La panoramica di Ali et al. (2021) mostra vari approcci al rinforzo dei polimeri con fibre di carbonio (CF) e l’effetto che questo ha sulle proprietà di trasferimento del calore. Il tipo, la quantità e l’orientamento delle fibre hanno un’influenza significativa sulla conducibilità termica risultante.
Un altro concetto è la combinazione di particelle di diamante e fibre di carbonio in una matrice epossidica. In questo modo si crea una rete conduttiva bidimensionale densamente impacchettata che consente un aumento significativo della conduttività termica senza compromettere l’isolamento elettrico (Zheng, J., et al., 2024). Questo aspetto è particolarmente importante per l’utilizzo nelle custodie elettroniche, dove è richiesta un’elevata dissipazione del calore e un contemporaneo isolamento elettrico.
La valutazione quantitativa di queste proprietà richiede metodi di misurazione ad alta risoluzione e dipendenti dal tempo. I classici metodi allo stato stazionario raggiungono spesso i loro limiti, soprattutto con materiali sottili o anisotropi. In questi casi, il metodo del flash laser offre una soluzione elegante misurando la diffusività termica α attraverso la risposta transitoria a un impulso di calore definito. Insieme alla capacità termica specifica e alla densità, è possibile calcolare la conducibilità termica effettiva.
Questa combinazione di sviluppo della scienza dei materiali e tecnologia di misurazione precisa permette di testare i materiali in modo specifico per la loro idoneità termica e di adattarli strutturalmente – un passo decisivo per il funzionamento affidabile dei sistemi elettronici sottoposti a stress termico nelle strutture leggere.
Analizzatore laser flash: precisione nella caratterizzazione termofisica
La determinazione affidabile della conduttività termica è essenziale per prevedere il comportamento dei materiali leggeri sotto stress termico. Un’analisi precisa e dipendente dalla direzione è particolarmente importante per i materiali anisotropi o eterogenei come il CFRP o i composti polimerici caricati. È qui che il
Il principio di misurazione del Laser Flash Analyser (LFA) si basa su un metodo transitorio e senza contatto per determinare la diffusività termica (α) di un campione. La parte inferiore del campione viene riscaldata brevemente da un impulso di energia. Un rilevatore sulla superficie opposta del campione misura l’aumento di temperatura nel tempo. La diffusività termica può essere determinata in base al tempo necessario affinché la temperatura raggiunga un determinato livello.
La conducibilità termica (λ) risulta dalla moltiplicazione della diffusività termica (α), capacità termica specifica (cp) e densità (ρ):
\(
\lambda = \alpha \cdot c_p \cdot \rho
\quad \text{mit} \quad
\begin{cases}
\lambda : \text{conduttività termica (W/m-K)} \\
\alpha : \´testo{conduttività termica (mm²/s)} \\
c_p : \text{capacità termica specifica (J/kg-K)} \\
\rho : \´testo{densità (kg/m³)}
´fine{cases}
\)
L’applicazione dell’LFA va oltre la semplice misurazione: abbinandola ad approcci di modellazione come l’analisi agli elementi finiti (FEA), i valori determinati possono essere trasferiti direttamente nelle simulazioni termiche per il layout dei componenti o per la progettazione degli alloggiamenti. In questo modo gli ingegneri hanno la possibilità di identificare i punti critici già nella fase di progettazione e di evitarli.
Questo rende il Laser Flash Analyser uno strumento indispensabile per lo sviluppo dei materiali e per l’assicurazione della qualità, soprattutto per le applicazioni in cui le prestazioni termiche sono fondamentali per la durata dei componenti elettronici.
Caso di studio sui composti polimerici: conduzione termica attraverso l'ingegneria dei riempimenti
I composti polimerici sono tra i materiali più versatili della moderna scienza dei materiali. Le loro proprietà meccaniche, elettriche e termiche possono essere personalizzate grazie alla selezione della matrice e alla progettazione del riempitivo. Per la gestione termica dei sistemi elettronici, la sfida consiste nell’aumentare la conducibilità termica intrinsecamente bassa dei polimeri utilizzando additivi adeguati, senza compromettere in modo significativo l’isolamento elettrico o la lavorabilità.
La panoramica di Ali et al. (2021) mostra sistematicamente come la conduttività termica delle resine epossidiche possa essere aumentata in modo significativo combinando diverse cariche. Ad esempio, sono state utilizzate particelle ceramiche come l’ossido di alluminio (Al₂O₃) e fibre di carbonio (CF) come additivi conduttivi. In combinazione, questi sono stati in grado di raggiungere una conduttività termica fino a 3,84 W/m-K con un contenuto del 74% di Al₂O₃ e del 6,4% di CF – un aumento di oltre 12 volte rispetto al polimero puro(Ali, Z., et al.)
La caratterizzazione termica può essere effettuata utilizzando l’analisi laser flash (LFA) per determinare con precisione la diffusività termica in funzione del tipo di riempimento, della geometria e della concentrazione. È stato dimostrato che, oltre alla frazione di volume, la distribuzione spaziale e l’orientamento delle cariche sono particolarmente determinanti per l’efficacia del trasporto di calore. L’aggiunta di CF come fase strutturante favorisce la formazione di percorsi percolanti, che promuovono efficacemente la conduzione del calore da punto a punto.
Un punto centrale del lavoro è la correlazione tra la struttura del materiale e i risultati delle misurazioni. Le misurazioni LFA consentono non solo di valutare il valore assoluto di conducibilità termica, ma anche di trarre conclusioni sull’omogeneità interna e sulla distribuzione del riempimento. Ad esempio, una scarsa dispersione può essere riconosciuta da una maggiore dispersione nei risultati.
Ciò si traduce in una chiara raccomandazione per la pratica industriale: la conducibilità termica dei materiali a base di polimeri può essere aumentata fino a un livello adatto alle applicazioni termiche più esigenti attraverso la selezione e la combinazione mirata di cariche e una tecnologia di processo strutturalmente adattata, mantenendo allo stesso tempo l’isolamento elettrico e l’integrità meccanica.
Caso di studio Rete termica 2D: diamante e fibre di carbonio come conduttori di calore funzionali
Un problema fondamentale per molti composti polimerici ad alta conducibilità termica è il conflitto tra l’efficienza termica e l’isolamento elettrico. Le cariche a base di carbonio, come le fibre di carbonio o il grafene, sono eccellenti conduttori termici, ma hanno anche un’elevata conduttività elettrica. Ciò rappresenta una sfida fondamentale per gli alloggiamenti elettronici, i materiali dei circuiti stampati o i substrati isolanti.
Zheng, et al. (2024) presentano un approccio promettente: una rete bidimensionale di particelle di diamante legate strutturalmente in una matrice di resina epossidica utilizzando fibre di carbonio corte (CF). Il diamante, un materiale elettricamente isolante ma altamente termoconduttivo, costituisce la spina dorsale della struttura di trasporto termico. Le fibre di carbonio fungono da anelli e collegano le particelle di diamante lateralmente per formare un percorso termico efficiente.
Questa configurazione innovativa è stata analizzata sistematicamente nello studio e la caratterizzazione termica è stata effettuata utilizzando l’analisi laser flash. La conducibilità termica calcolata ha raggiunto i
Nel concetto di materiale, le particelle di diamante formano la struttura primaria, la struttura a ponte CF – incorporata nella matrice. Questa rete consente una distribuzione omogenea della conduzione del calore senza surriscaldamento in alcuni punti. L’analisi della microstruttura mediante microscopia elettronica a scansione ha confermato la distribuzione uniforme e l’efficace legame delle cariche alla matrice.
La chiave del successo risiede nella personalizzazione geometrica e chimica delle particelle: l’impacchettamento stretto e l’orientamento controllato della rete consentono di creare percorsi percolanti per la conduzione del calore senza rischiare un cortocircuito elettrico.
Per le applicazioni nel campo dei componenti elettronici di potenza, della sensoristica o delle strutture di raffreddamento attivo, questo approccio offre un promettente compromesso tra elevate prestazioni termiche e sicurezza elettrica. Lo studio di Zheng et al. dimostra in modo impressionante che le soluzioni di materiali funzionali per la gestione termica dei sistemi a base di polimeri sono possibili grazie a un’architettura di riempimento microstrutturata e a una precisa tecnologia di misurazione.
Sintesi e raccomandazioni per l'azione
La capacità di dissipare efficacemente il calore dai componenti elettronici ne determina sempre più l’affidabilità e la durata, soprattutto nelle strutture leggere basate su CFRP o composti polimerici. I casi di studio esaminati mostrano in modo impressionante quanto la struttura del materiale, la scelta del riempitivo e il design geometrico influenzino la conducibilità termica e quanto sia cruciale una tecnologia di misurazione precisa per catturare queste proprietà.
Il metodo transitorio della Laser Flash Analysis (LFA) ha dimostrato di essere uno strumento indispensabile in tutti i casi. I suoi punti di forza risiedono nella capacità di fornire dati riproducibili e risolti in senso direzionale, anche con campioni anisotropi e a pareti sottili. Ciò consente non solo una valutazione quantitativa, ma anche di trarre conclusioni sull’efficacia delle reti termiche strutturate, come nel caso della rete di diamanti CF 2D (Zheng et al., 2024) o dei sistemi di riempimento ibridi nei polimeri (Wang et al., 2020).
Da questi risultati si possono trarre diverse raccomandazioni per la pratica industriale:
- Utilizzare i dati delle misurazioni come base per la progettazione: Le misurazioni LFA devono essere integrate nel processo di sviluppo fin dalle prime fasi, in modo da definire condizioni termiche limite realistiche per la progettazione del componente.
- Allineare la conduzione del calore in modo mirato: I materiali anisotropi come il CFRP devono essere considerati in termini di dipendenza dall’orientamento. Il percorso del calore può essere adattato attraverso modifiche strutturali, come ad esempio gli intercalari.
- Usa riempitivi ibridi: Nei composti polimerici, la combinazione di additivi ceramici (elettricamente isolanti) e a base di carbonio (termicamente conduttivi) offre il miglior rapporto tra prestazioni termiche e sicurezza elettrica.
- Progettazione di reti termiche: le reti di conduzione termica microstrutturate dimostrano il potenziale dell’ingegneria del riempimento mirata, anche con frazioni di volume limitate.
- Preparare l’integrazione della simulazione: I dati misurati con l’LFA devono essere trasferiti direttamente nelle simulazioni termiche FEM per identificare tempestivamente i punti caldi ed evitarli sul lato del layout.
Nel complesso, è chiaro che l’ottimizzazione mirata della conduttività termica nei composti di CFRP e polimeri non è un prodotto del caso, ma il risultato di un’interazione precisamente controllata tra progettazione dei materiali, comprensione strutturale-meccanica e controllo metrologico. Il Laser Flash Analyser non è solo un dispositivo di misurazione, ma una parte integrante del moderno sviluppo dei materiali nella gestione termica dei sistemi elettrici.
Riferimenti
- Ali, Z., et al.
Preparazione, proprietà e meccanismi di compositi di fibre di carbonio e polimeri ad alta conducibilità termica
MDPI Polymers, 2021, 13(1), 169
DOI: https://doi.org/10.3390/polym13010169 - Zheng, J., et al.
Miglioramento della conduttività termica e della resistività elettrica di un composito epossidico mediante la costruzione di una rete 2D a pacchetti ravvicinati di particelle di diamante collegate a fibre di carbonio tagliate
Polymer Composites (2024)
DOI: https://doi.org/10.1002/pc.29728
