İçindekiler
Anahtar parametre olarak termal iletkenlik
Hafif yapı, havacılıktan elektromobilite ve güç elektroniğine kadar çok sayıda yüksek teknoloji sektöründe inovasyonun stratejik itici gücü olarak kabul edilmektedir. Bununla birlikte, genellikle göz ardı edilen bir zorluğu ortaya çıkaran da tam olarak bu malzemelerdir:
Elektronik bileşenler, sensörler ve güç elektroniği modülleri çalışma sırasında önemli miktarda ısı üretir. Bu ısı verimli bir şekilde dağıtılmazsa, işlevsel sınırlamalara, yaşlanmaya ve hatta ani arızalara yol açabilecek sıcaklık zirveleri riski vardır.
Termal açıdan kritik koşulları tahmin etmek ve uygun malzemeleri hedefe yönelik bir şekilde seçmek için, termal iletkenlikleri hakkında kesin bilgi sahibi olmak şarttır. Termofiziksel malzeme karakterizasyonu tam da bu noktada devreye girer.
Makale, modern hafif malzemelerin termal davranışlarına, elektronik sistemler için ortaya çıkan risklere ve ısı taşıma özelliklerine ilişkin farklı bilgiler elde etmek için uygun ölçüm teknolojisinin nasıl kullanılabileceğine ışık tutmaktadır. Polimer ve CFRP kompozitlerin, bileşenlerin elektriksel bütünlüğünü tehlikeye atmadan hem mekanik hem de termal olarak optimize edilmesinin yeni yollarını gösteren güncel bilimsel çalışmaları içermektedir.
Teori ve uygulamada termal iletkenlik
Termal iletkenlik, malzemelerin termal davranışları için önemli bir parametredir. Bir malzemenin termal enerjiyi iletim yoluyla taşıma kabiliyetini tanımlar ve tipik olarak metre başına watt ve Kelvin (W/m-K) cinsinden ifade edilir. Uygulamada, yüksek ısı iletkenliği, termal enerjinin kaynak noktasından daha soğuk alanlara verimli bir şekilde dağıtılabileceği anlamına gelir. Öte yandan yetersiz ısı dağılımı, bölgesel aşırı ısınmaya ve elektronik bileşenlerin daha hızlı arızalanmasına yol açar.
Karbon fiber takviyeli plastikler (CFRP) gibi anizotropik malzemelerde termal iletkenliğin analizi özellikle karmaşıktır. Burada, termal iletkenlikler fiber yönü (düzlem içi) ve ona dik yön (düzlem boyunca) arasında büyük farklılıklar gösterir. Bu güçlü anizotropi, örneğin güç transistörleri gibi lokalize ısı üretimi olan uygulamalarda kritik bir darboğaz haline gelebilir.
Polimerler genellikle temel formlarında çok düşük bir termal iletkenliğe sahiptir (<0,3 W/m-K), ancak termal olarak iletken dolgu maddelerinin hedeflenen entegrasyonu yoluyla optimizasyon için muazzam bir potansiyel sunar. Ali ve diğerleri (2021) tarafından yapılan genel bakış, polimerlerin karbon fiberlerle (CF) takviye edilmesine yönelik çeşitli yaklaşımları ve bunun ısı transferi özellikleri üzerindeki etkisini göstermektedir. Liflerin türü, miktarı ve oryantasyonu, ortaya çıkan termal iletkenlik üzerinde önemli bir etkiye sahiptir.
Bir başka konsept ise elmas parçacıkları ve karbon fiberlerin epoksi matris içinde bir araya getirilmesidir. Bu, elektrik yalıtımını tehlikeye atmadan termal iletkenlikte önemli bir artış sağlayan yoğun bir şekilde paketlenmiş, iki boyutlu iletken bir ağ oluşturur (Zheng, J., vd., 2024). Bu özellikle, eşzamanlı elektrik izolasyonu ile yüksek ısı dağılımının gerekli olduğu elektronik muhafazalarda kullanım için önemlidir.
Bu özelliklerin niceliksel olarak değerlendirilmesi için yüksek çözünürlüklü, zamana bağlı ölçüm yöntemleri gerekir. Klasik sabit durum yöntemleri, özellikle ince veya anizotropik malzemelerde genellikle sınırlarına ulaşır. Bu gibi durumlarda lazer flaş yöntemi, termal difüzivite α’yı tanımlanmış bir ısı darbesine geçici tepki yoluyla ölçerek zarif bir çözüm sunar. Özgül ısı kapasitesi ve yoğunluk ile birlikte, gerçek termal iletkenlik buradan hesaplanabilir.
Malzeme bilimi geliştirme ve hassas ölçüm teknolojisinin bu kombinasyonu, malzemelerin özellikle termal uygunlukları açısından test edilmesini ve yapısal olarak uyarlanmasını mümkün kılmaktadır – bu, hafif yapılarda termal olarak zorlanan elektronik sistemlerin güvenilir bir şekilde çalışması için belirleyici bir adımdır.
Lazer Flaş Analizörü: Termofiziksel karakterizasyonda hassasiyet
Termal iletkenliğin güvenilir bir şekilde belirlenmesi, hafif malzemelerin termal stres altındaki davranışlarını tahmin etmek için gereklidir. Hassas, yöne bağlı analiz, CFRP veya dolgulu polimer bileşikleri gibi anizotropik veya heterojen malzemeler için özellikle önemlidir. İşte burası
Lazer Flaş Analizörünün (LFA) ölçüm prensibi, bir test numunesinin termal difüzivitesini (α) belirlemek için geçici, temassız bir yönteme dayanmaktadır. Numunenin alt tarafı bir enerji darbesi ile kısa süreliğine ısıtılır. Karşı numune yüzeyindeki bir dedektör, zaman içindeki sıcaklık artışını ölçer. Termal difüzivite, sıcaklığın belirli bir seviyeye ulaşması için geçen süreden belirlenebilir.
Termal iletkenlik (λ), aşağıdaki değerlerin çarpımından elde edilir termal difüzivite (α), özgül ısı kapasitesi (cp) ve yoğunluk (ρ):
\(
\lambda = \alpha \cdot c_p \cdot \rho
\quad \text{mit} \quad
\begin{cases}
\lambda : \text{termal iletkenlik (W/m-K)} \\
\alpha : \text{termal iletkenlik (mm²/s)} \\
c_p : \text{özgül ısı kapasitesi (J/kg-K)} \\
\rho : \text{yoğunluk (kg/m³)}
\end{cases}
\)
LFA uygulaması saf ölçümün ötesine geçmektedir: sonlu elemanlar analizi (FEA) gibi modelleme yaklaşımlarıyla birleştirilerek, belirlenen değerler doğrudan bileşen düzenleri veya gövde tasarımları için termal simülasyonlara aktarılabilir. Bu, mühendislere kritik sıcak noktaları tasarım aşamasının başlarında belirleme ve tasarım yoluyla bunlardan kaçınma fırsatı verir.
Bu, Lazer Flaş Analizörünü malzeme geliştirme ve kalite güvencesinde vazgeçilmez bir araç haline getirir – özellikle de termal performansın elektronik bileşenlerin hizmet ömrü için çok önemli olduğu uygulamalar için.
Polimer bileşiklerine ilişkin vaka çalışması: dolgu mühendisliği yoluyla termal iletim
Polimer bileşikleri, modern malzeme bilimindeki en çok yönlü malzemeler arasındadır. Mekanik, elektriksel ve termal özellikleri, matris seçimi ve dolgu maddesi tasarımı yoluyla özelleştirilebilir. Elektronik sistemlerde termal yönetim için zorluk, elektrik yalıtımını veya işlenebilirliği önemli ölçüde bozmadan, uygun katkı maddeleri kullanarak polimerlerin doğal olarak düşük termal iletkenliğini artırmaktır.
Ali ve diğerleri (2021) tarafından yapılan genel bakış, epoksi reçinelerin termal iletkenliğinin farklı dolgu maddelerinin birleştirilmesiyle nasıl önemli ölçüde artırılabileceğini sistematik olarak göstermektedir. Örneğin, alüminyum oksit (Al₂O₃) ve karbon fiberler (CF) gibi seramik partiküller iletken katkı maddeleri olarak kullanılmıştır. Kombinasyon halinde, bunlar %74 Al₂O₃ ve %6,4 CF içeriğiyle 3,84 W/m-K’ye kadar termal iletkenlik elde edebilmiştir – saf polimere kıyasla 12 kattan fazla bir artış(Ali, Z., et al.)
Termal karakterizasyon, dolgu tipi, geometrisi ve konsantrasyonunun bir fonksiyonu olarak termal difüziviteyi kesin olarak belirlemek için lazer flaş analizi (LFA) kullanılarak gerçekleştirilebilir. Hacim oranına ek olarak, dolgu maddelerinin
Çalışmanın merkezi noktası, malzeme yapısı ile ölçüm sonucu arasındaki korelasyondur. LFA ölçümleri sadece mutlak termal iletkenlik değerinin değerlendirilmesine değil, aynı zamanda iç homojenlik ve dolgu maddesi dağılımı hakkında sonuçlar çıkarılmasına da olanak tanır. Örneğin, zayıf dağılım, sonuçlarda artan saçılma ile tanınabilir.
Bunun sonucunda endüstriyel uygulamalar için net bir öneri ortaya çıkmaktadır: Polimer bazlı malzemelerin termal iletkenliği, dolgu maddelerinin hedeflenen seçimi ve kombinasyonu ve yapısal olarak uyarlanmış proses teknolojisi yoluyla zorlu termal uygulamalar için uygun bir seviyeye yükseltilebilir – aynı zamanda elektrik yalıtımı ve mekanik bütünlük korunabilir.
Örnek çalışma 2D termal ağ: fonksiyonel ısı iletkenleri olarak elmas ve karbon fiberler
Yüksek termal iletkenliğe sahip birçok polimer bileşiği için temel bir sorun, termal verimlilik ve elektrik yalıtımının çelişen hedefleridir. Karbon lifleri veya grafen gibi karbon bazlı dolgu maddeleri mükemmel termal iletkenler olmakla birlikte, aynı zamanda yüksek elektrik iletkenliğine de sahiptirler. Bu durum elektronik muhafazalar, baskılı devre kartı malzemeleri veya yalıtım alt tabakaları için temel bir zorluk teşkil etmektedir.
Zheng, ve ark. (2024) umut verici bir yaklaşım sunmaktadır: kısa lifli karbon fiberler (CF) kullanılarak epoksi reçine matrisine yapısal olarak bağlanmış elmas parçacıklarından oluşan iki boyutlu bir ağ. Elektriksel olarak yalıtkan ancak termal olarak oldukça iletken bir malzeme olan elmas, termal taşıma yapısının omurgasını oluşturmaktadır. Karbon fiberler bağlantı görevi görür ve verimli bir ısı yolu oluşturmak için elmas parçacıklarını yanal olarak bağlar.
Bu yenilikçi konfigürasyon çalışmada sistematik olarak incelenmiş ve termal karakterizasyon lazer flaş analizi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Buradan hesaplanan termal iletkenlik 2.653 W/m-K değerine ulaşmıştır – bu değer dolgusuz matrise kıyasla %1600’ün üzerinde bir artışa karşılık gelmektedir. Aynı zamanda, spesifik elektrik direnci yaklaşık 1,4 ∙ 1013 Ω∙cm’de kalmıştır, bu da elektriksel olarak yalıtkan bir muhafaza malzemesi olarak uygunluğunu doğrulamaktadır.
Malzeme konseptinde, elmas parçacıkları birincil yapıyı, CF köprü yapısını oluşturur – matris içine gömülüdür. Bu ağ, belirli noktalarda aşırı ısınma olmadan ısı iletiminin homojen bir şekilde dağılmasını sağlar. Taramalı elektron mikroskobu kullanılarak mikroyapının analiz edilmesi, dolgu maddelerinin matrise eşit bir şekilde dağıldığını ve etkili bir şekilde bağlandığını doğrulamıştır.
Başarının anahtarı, parçacıkların hedeflenen geometrik ve kimyasal özelleştirilmesinde yatıyor: sıkı paketleme ve ağın kontrollü yönlendirilmesi, elektriksel kısa devre riski olmadan ısı iletimi için süzülme yolları oluşturmayı mümkün kılıyor.
Güç elektroniği bileşenleri, sensör teknolojisi veya aktif soğutma yapıları alanındaki uygulamalar için bu yaklaşım, yüksek termal performans ve elektrik güvenliği arasında umut verici bir uzlaşma sunmaktadır. Zheng ve arkadaşlarının çalışması, mikro yapılı dolgu mimarisi ve hassas ölçüm teknolojisi sayesinde polimer bazlı sistemlerin termal yönetimi için fonksiyonel malzeme çözümlerinin mümkün olduğunu etkileyici bir şekilde ortaya koymaktadır.
Özet ve eylem önerileri
Elektronik bileşenlerden ısıyı verimli bir şekilde dağıtma yeteneği, özellikle CFRP veya polimer bileşiklerine dayalı hafif yapılarda güvenilirliklerini ve hizmet ömürlerini giderek daha fazla belirlemektedir. İncelenen vaka çalışmaları , malzeme yapısının, dolgu maddesi seçiminin ve geometrik tasarımın termal iletkenliği ne kadar güçlü bir şekilde etkilediğini ve bu özellikleri yakalamak için hassas ölçüm teknolojisinin ne kadar önemli olduğunu etkileyici bir şekilde göstermektedir.
Geçici Lazer Flaş Analizi (LFA) yönteminin her durumda vazgeçilmez bir araç olduğu kanıtlanmıştır. Güçlü yanı, anizotropik ve ince duvarlı numunelerde bile tekrarlanabilir ve yönsel olarak çözümlenmiş veriler sağlama yeteneğinde yatmaktadır. Bu, yalnızca nicel bir değerlendirmeye değil, aynı zamanda 2D elmas CF ağı (Zheng ve ark., 2024) veya polimerlerde hibrit dolgu sistemleri (Wang ve ark., 2020) örneğinde olduğu gibi yapılandırılmış termal ağların etkinliği hakkında sonuçlar çıkarılmasına da olanak tanır.
Bu bulgulardan endüstriyel uygulamalar için çeşitli tavsiyeler çıkarılabilir:
- Ölçüm verilerini tasarım için bir temel olarak kullanın: LFA ölçümleri, bileşen tasarımı için gerçekçi termal sınır koşullarını tanımlamak amacıyla erken bir aşamada geliştirme sürecine entegre edilmelidir.
- Isı iletimini hedeflenen bir şekilde hizalayın: CFRP gibi anizotropik malzemeler, yönelim bağımlılıkları açısından dikkate alınmalıdır. Isı yolu, örneğin ara katmanlar gibi yapısal değişiklikler yoluyla uyarlanabilir.
- Hibrit dolgu maddeleri kullanın: Polimer bileşiklerinde, seramik (elektriksel olarak yalıtkan) ve karbon bazlı (termal olarak iletken) katkı maddelerinin kombinasyonu, termal performans ve elektriksel güvenlik açısından en iyi oranı sunar.
- Termal ağların planlanması: Mikro yapılı termal iletim ağları, sınırlı hacim fraksiyonlarında bile hedeflenen dolgu mühendisliğinin potansiyelini göstermektedir.
- Simülasyon entegrasyonunu hazırlayın: LFA ile ölçülen veriler, sıcak noktaları erken bir aşamada belirlemek ve yerleşim tarafında bunlardan kaçınmak için doğrudan termal FEM simülasyonlarına aktarılmalıdır.
Genel olarak, CFRP ve polimer bileşiklerinde termal iletkenliğin hedeflenen optimizasyonunun bir şans ürünü olmadığı, malzeme tasarımı, yapısal-mekanik anlayış ve metrolojik kontrolün hassas bir şekilde kontrol edilen etkileşiminin sonucu olduğu açıktır. Lazer Flaş Analizörü sadece bir ölçüm cihazı değil, elektrik sistemlerinin termal yönetiminde modern malzeme geliştirmenin ayrılmaz bir parçasıdır.
Referanslar
- Ali, Z., et al.
Yüksek Termal İletkenliğe Sahip Karbon Elyaf/Polimer Kompozitlerin Hazırlanması, Özellikleri ve Mekanizmaları
MDPI Polymers, 2021, 13(1), 169
DOI: https://doi.org/10.3390/polym13010169 - Zheng, J., vd.
Epoksi kompozitin termal iletkenliği ve elektriksel direnci, doğranmış karbon fiberlerle bağlanmış elmas parçacıklarından oluşan yakın paketlenmiş bir 2D ağ oluşturularak artırıldı
Polymer Composites (2024)
DOI: https://doi.org/10.1002/pc.29728
