Índice
A condutividade térmica como parâmetro-chave
A construção leve é considerada como um motor estratégico de inovação em numerosos sectores de alta tecnologia – desde a indústria aeroespacial à electromobilidade e à eletrónica de potência. No entanto, são precisamente estes materiais que colocam um desafio frequentemente subestimado:
Os componentes electrónicos, sensores e módulos de eletrónica de potência geram quantidades consideráveis de calor durante o funcionamento. Se este calor não for dissipado de forma eficiente, existe o risco de picos de temperatura, que podem levar a limitações funcionais, envelhecimento ou mesmo a uma falha abrupta.
Para prever condições termicamente críticas e selecionar materiais adequados, é essencial um conhecimento preciso da sua condutividade térmica. É precisamente aqui que entra a caraterização termofísica dos materiais.
O artigo esclarece como os materiais leves modernos se comportam termicamente, quais os riscos que surgem para os sistemas electrónicos – e como a tecnologia de medição adequada pode ser utilizada para obter conhecimentos diferenciados sobre as propriedades de transporte de calor. Incorpora o trabalho científico atual que mostra novas formas de otimizar os compósitos de polímeros e CFRP, tanto mecânica como termicamente – sem comprometer a integridade eléctrica dos componentes.
A condutividade térmica na teoria e na prática
A condutividade térmica é um parâmetro fundamental para o comportamento térmico dos materiais. Descreve a capacidade de um material transportar energia térmica por condução, normalmente expressa em watts por metro e Kelvin (W/m-K). Na prática, uma condutividade térmica elevada significa que a energia térmica pode ser dissipada eficientemente do ponto de origem para áreas mais frias. Uma dissipação de calor insuficiente, por outro lado, conduz a um sobreaquecimento localizado e a uma falha acelerada dos componentes electrónicos.
A análise da condutividade térmica em materiais anisotrópicos, como os plásticos reforçados com fibras de carbono (CFRP), é particularmente complexa. Aqui, as condutividades térmicas diferem muito entre a direção da fibra (no plano) e a direção perpendicular a ela (através do plano). Esta forte anisotropia pode tornar-se um estrangulamento crítico em aplicações com geração de calor localizada – por exemplo, em transístores de potência.
Os polímeros têm normalmente uma condutividade térmica muito baixa na sua forma básica (<0,3 W/m-K), mas oferecem um enorme potencial de otimização através da integração orientada de cargas termicamente condutoras. A visão geral de Ali et al. (2021) mostra várias abordagens para reforçar polímeros com fibras de carbono (CF) e o efeito que isso tem nas propriedades de transferência de calor. O tipo, a quantidade e a orientação das fibras têm uma influência significativa na condutividade térmica resultante.
Outro conceito é a combinação de partículas de diamante e fibras de carbono numa matriz epoxídica. Isto cria uma rede condutora bidimensional densamente compactada que permite um aumento significativo da condutividade térmica sem comprometer o isolamento elétrico (Zheng, J., et al., 2024). Isto é particularmente relevante para utilização em caixas electrónicas, onde é necessária uma elevada dissipação de calor com isolamento elétrico simultâneo.
A avaliação quantitativa destas propriedades requer métodos de medição de alta resolução e dependentes do tempo. Os métodos clássicos de estado estacionário atingem frequentemente os seus limites, especialmente com materiais finos ou anisotrópicos. Nestes casos, o método de flash laser oferece uma solução elegante, medindo a difusividade térmica α através da resposta transitória a um impulso de calor definido. Em conjunto com a capacidade térmica específica e a densidade, a condutividade térmica real pode ser calculada a partir daí.
Esta combinação do desenvolvimento da ciência dos materiais e da tecnologia de medição precisa torna possível testar os materiais especificamente quanto à sua adequação térmica e adaptá-los estruturalmente – um passo decisivo para o funcionamento fiável de sistemas electrónicos sujeitos a tensões térmicas em estruturas leves.
Laser Flash Analyzer: Precisão na caraterização termofísica
A determinação fiável da condutividade térmica é essencial para prever o comportamento de materiais leves sob tensão térmica. Uma análise precisa e dependente da direção é particularmente importante para materiais anisotrópicos ou heterogéneos, tais como CFRP ou compostos de polímeros preenchidos. É aqui que o método de flash laser se estabeleceu como um dos métodos líderes. Uma das principais vantagens do método LFA é que não requer contacto térmico direto com a amostra, o que evita erros de medição devidos à resistência de contacto.
O princípio de medição do Laser Flash Analyser (LFA) baseia-se num método transitório, sem contacto, para determinar a difusividade térmica (α) de uma amostra de teste. A parte inferior da amostra é brevemente aquecida por um impulso de energia. Um detetor na superfície oposta da amostra mede o aumento da temperatura ao longo do tempo. A difusividade térmica pode ser determinada a partir do tempo que demora a temperatura a atingir um determinado nível.
A condutividade térmica (λ) resulta da multiplicação da difusividade térmica (α), capacidade térmica específica (cp) e da densidade (ρ):
\(
\lambda = \alpha \cdot c_p \cdot \rho
\quad \text{mit} \quad
\begin{cases}
\lambda : \text{condutividade térmica (W/m-K)} \\
\alpha : \text{condutividade térmica (mm²/s)} \\
c_p : \text{capacidade térmica específica (J/kg-K)} \\
\rho : \text{densidade (kg/m³)}
\end{cases}
\)
A aplicação do LFA vai para além da pura medição: ao associá-lo a abordagens de modelação, como a análise de elementos finitos (FEA), os valores determinados podem ser transferidos diretamente para simulações térmicas para layouts de componentes ou designs de caixas. Isto dá aos engenheiros a oportunidade de identificar pontos quentes críticos logo na fase de conceção e de os evitar através da conceção.
Isto faz com que o Laser Flash Analyser seja uma ferramenta indispensável no desenvolvimento de materiais e na garantia de qualidade – especialmente para aplicações em que o desempenho térmico é crucial para a vida útil dos componentes electrónicos.
Estudo de caso de compostos poliméricos: condução térmica através da engenharia de enchimento
Os compostos de polímeros são dos materiais mais versáteis da ciência moderna dos materiais. As suas propriedades mecânicas, eléctricas e térmicas podem ser personalizadas através da seleção da matriz e da conceção do material de enchimento. Para a gestão térmica em sistemas electrónicos, o desafio é aumentar a condutividade térmica intrinsecamente baixa dos polímeros utilizando aditivos adequados – sem prejudicar significativamente o isolamento elétrico ou a processabilidade.
A visão geral de Ali et al. (2021) mostra sistematicamente como a condutividade térmica das resinas epóxi pode ser significativamente aumentada pela combinação de diferentes cargas. Por exemplo, partículas de cerâmica, como óxido de alumínio (Al₂O₃) e fibras de carbono (CF), foram usadas como aditivos condutores. Em combinação, estes foram capazes de atingir uma condutividade térmica de até 3,84 W/m-K com um conteúdo de 74% de Al₂O₃ e 6,4% de CF – um aumento de mais de 12 vezes em comparação com o polímero puro(Ali, Z., et al.)
A caraterização térmica pode ser efectuada utilizando a análise de flash laser (LFA), a fim de determinar com precisão a difusividade térmica em função do tipo de carga, geometria e concentração. Demonstra-se que, para além da fração volumétrica, a distribuição espacial e a orientação das cargas, em particular, são decisivas para a eficácia do transporte de calor. A adição de CF como fase estruturante apoia a formação de caminhos de percolação, que promovem eficazmente a condução de calor ponto-a-ponto.
Um ponto central do trabalho é a correlação entre a estrutura do material e o resultado da medição. As medições LFA permitem não só a avaliação do valor absoluto da condutividade térmica, mas também tirar conclusões sobre a homogeneidade interna e a distribuição da carga. Por exemplo, uma dispersão deficiente pode ser reconhecida pelo aumento da dispersão nos resultados.
O resultado é uma recomendação clara para a prática industrial: a condutividade térmica dos materiais à base de polímeros pode ser aumentada para um nível adequado a aplicações térmicas exigentes, através da seleção e combinação específicas de cargas e de uma tecnologia de processo estruturalmente adaptada – mantendo, ao mesmo tempo, o isolamento elétrico e a integridade mecânica.
Estudo de caso Rede térmica 2D: diamante e fibras de carbono como condutores de calor funcionais
Um dos principais problemas de muitos compostos poliméricos com elevada condutividade térmica é o conflito entre os objectivos de eficiência térmica e de isolamento elétrico. Embora as cargas à base de carbono – como as fibras de carbono ou o grafeno – sejam excelentes condutores térmicos, também têm uma elevada condutividade eléctrica. Isto representa um desafio fundamental para as caixas electrónicas, materiais de placas de circuitos impressos ou substratos isolantes.
Zheng, et al. (2024) apresentam uma abordagem promissora: uma rede bidimensional de partículas de diamante estruturalmente ligadas numa matriz de resina epóxi usando fibras curtas de carbono (CF). O diamante, um material eletricamente isolante mas altamente condutor de calor, forma a espinha dorsal da estrutura de transporte térmico. As fibras de carbono servem como elos e ligam as partículas de diamante lateralmente para formar um caminho de calor eficiente.
Esta configuração inovadora foi sistematicamente investigada no estudo e a caraterização térmica foi efectuada utilizando a análise de flash laser. A condutividade térmica calculada a partir desta atingiu 2,653 W/m-K – um valor que corresponde a um aumento de mais de 1600 % em comparação com a matriz não preenchida. Simultaneamente, a resistência eléctrica específica manteve-se em cerca de 1,4 ∙ 1013 Ω∙cm, o que confirma a sua adequação como material de revestimento eletricamente isolante.
No conceito do material, as partículas de diamante formam a estrutura primária, CF a estrutura de ponte – incorporada na matriz. Esta rede permite uma distribuição homogénea da condução de calor sem sobreaquecimento em determinados pontos. A análise da microestrutura por microscopia eletrónica de varrimento confirmou a distribuição uniforme e a ligação eficaz das cargas à matriz.
A chave do sucesso reside na personalização geométrica e química das partículas: o empacotamento apertado e a orientação controlada da rede permitem criar caminhos de percolação para a condução do calor sem correr o risco de um curto-circuito elétrico.
Para aplicações no campo dos componentes electrónicos de potência, tecnologia de sensores ou estruturas de arrefecimento ativo, esta abordagem oferece um compromisso promissor entre o elevado desempenho térmico e a segurança eléctrica. O estudo de Zheng et al. demonstra de forma impressionante que as soluções de materiais funcionais para a gestão térmica de sistemas à base de polímeros são possíveis graças à arquitetura de enchimento microestruturado e à tecnologia de medição precisa.
Resumo e recomendações de ação
A capacidade de dissipar eficazmente o calor dos componentes electrónicos é cada vez mais determinante para a sua fiabilidade e vida útil – especialmente em estruturas leves baseadas em CFRP ou compostos poliméricos. Os estudos de caso examinados mostram de forma impressionante como a estrutura do material, a escolha do material de enchimento e o desenho geométrico influenciam a condutividade térmica – e como a tecnologia de medição precisa é crucial para captar estas propriedades.
O método transiente de análise de flash laser (LFA) provou ser uma ferramenta indispensável em todos os casos. Os seus pontos fortes residem na sua capacidade de fornecer dados reprodutíveis e direcionalmente resolvidos, mesmo com amostras anisotrópicas e de paredes finas. Isto permite não só uma avaliação quantitativa, mas também tirar conclusões sobre a eficácia das redes térmicas estruturadas – como no caso da rede CF de diamante 2D (Zheng et al., 2024) ou dos sistemas de enchimento híbridos em polímeros (Wang et al., 2020).
A partir destas conclusões, podem ser formuladas várias recomendações para a prática industrial:
- Utiliza os dados de medição como base para o projeto: As medições LFA devem ser integradas no processo de desenvolvimento numa fase inicial, a fim de definir condições de fronteira térmica realistas para o projeto do componente.
- Alinha a condução de calor de uma forma orientada: Os materiais anisotrópicos, como o CFRP, devem ser considerados em termos da sua dependência da orientação. As modificações estruturais – por exemplo, camadas intermédias – podem ser utilizadas para adaptar o percurso do calor.
- Utiliza cargas híbridas: Nos compostos poliméricos, a combinação de aditivos cerâmicos (isolantes eléctricos) e à base de carbono (condutores térmicos) oferece a melhor relação entre desempenho térmico e segurança eléctrica.
- Planeamento de redes térmicas: As redes térmicas microestruturadas demonstram o potencial da engenharia de cargas orientadas, mesmo com fracções de volume limitadas.
- Prepara a integração da simulação: Os dados medidos com o LFA devem ser transferidos diretamente para simulações térmicas FEM, de modo a identificar pontos críticos numa fase inicial e evitá-los no lado do layout.
Em geral, é evidente que a otimização orientada da condutividade térmica em CFRP e compostos de polímeros não é um produto do acaso, mas o resultado de uma interação precisamente controlada de conceção de materiais, compreensão estrutural-mecânica e controlo metrológico. O Laser Flash Analyser não é apenas um dispositivo de medição, mas uma parte integrante do desenvolvimento de materiais modernos na gestão térmica de sistemas eléctricos.
Referências
- Ali, Z., et al.
Preparação, Propriedades e Mecanismos de Compósitos de Fibra de Carbono/Polímero com Elevada Condutividade Térmica
MDPI Polymers, 2021, 13(1), 169
DOI: https://doi.org/10.3390/polym13010169 - Zheng, J., et al.
Melhoria da condutividade térmica e da resistividade eléctrica do compósito de epóxi através da construção de uma rede 2D de partículas de diamante ligadas a fibras de carbono cortadas
Polymer Composites (2024)
DOI: https://doi.org/10.1002/pc.29728
