ההשפעה של Anisotropy על מוליכות תרמית בחומרים שכבתיים

הבנה של איך חום עובר דרך חומרים היא אבן הפינה של מדע מודרני והנדסה.ביישומים החל מיקרואלקטרוניקה קירור לתוך הגנה תרמית אווירוspace, היכולת לחזות ולבקר תחבורה תרמית קובע ביצועים, אמינות ובטיחות. עבור חומרים רבים, מוליכות תרמית היא סקאנר מוגדר היטב קנה מידה מוגדר היטב, עם זאת, בכיתה רחבה של חומרים - במיוחד אלה עם מבנים שכבתיים - מוליכות כפולה היא לא מספר יחיד של תרכובות אבל ידוע על ידי עיצוב עמוק:0 מטרד, עם זאת, עם זאת, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, כמו גם כן, סוג רחב של חומרים ניהול עמוק של חומר ניהול עמוק של תאים עמוקים של תאים עמוקים של חומר ניהול.

חומרים מעוכבים, כגון גרפיט, hexagonal boron nitride (h-BN), והחלפת dichalcogenides מתכת (TMDs), מאופיין על ידי חיבור קוהנדסיבי חזק בתוך מטוסים אטומיים ואינטראקציות חלשות ואן דר ואגאל בין מטוסים.זה dichotomy מבנית נותן עלייה של התנהגות תרמית שונה מאוד לאורך השכבות (במטוס) לעומת שכבת שטח תרמי ל- 10, לדוגמה, הוא מסוגל לבצע רק 10 / גרף קיצוני של 2KoST (למשל, 000) בטמפרטורה גבוהה יותר, 000).

יסודות של התנהגות תרמית בסולידריות

(ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

Phon Transport

תרומה אלקטרונית

(ב) ב[[1848]] וב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1966]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]], [[1924]], [[1924]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]] ב[[1924]], [[

Anisotropy: הסתמכות זמנית

מקור: Crystal Structure

בחומרים שכבתיים, אטומים בתוך כל שכבה קשורים זה לזה בצורה שווה או ionly - אג"ח חזק המספק דינמיקת נקה נוקשה. האג"ח חזק אלה תוצאה של מהירויות קבוצתיות גבוהות ודרכים ארוכות טווח חופשיות לאורך המטוס. בין שכבות, אג"ח חלש (וכוח דר Waals, או במקרים מסוימים אינטראקציות אלקטרוסטטיות). זה הפיכה חלשה מוביל למהירויות נמוכות של פוניקה ופיזור גבוה יותר של מטוסים הוא לעתים קרובות גדול יותר מאשר קשקשים.

In-Plane vs Cross-Plane Conductivity

(ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) ויקרא י"ד): "וַיַּהְמַרְתָּבְהַבְתָּבְהַהְיִדָּבְהַהְיִדְתָּבְתָּבְתָּבְתָּבָר" (בראשית כ"ד, כ"ד, כ"ד, כ"ד, כ"ד, כ"ד, כ"ד)
(ב) ויקרא י"ד): "וַיְּהַּהְיִדְהִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִיתִי" (בראשית כ"ד, כ"ד)
(ב) ויקרא י"א): "ה' (ה') ויקרא יט: ויקרא י': ויקרא י': ויקרא י"ד): "וְהִיאֶשׁ נָא נָא נָא נָתִי עַמְתִּי עַל עַל עַל עַל הָאָרֶץ" (בראשית כ"ד, יט, יט, יט, יט, יט, יט, יט, יט, יט, יט)

ערכים אלה הם משוערים ותלויים באיכות גביש, טמפרטורה וממדים מדגם.ה מוליכות גבוהה במטוס הופכת חומרים מעוקלים אטרקטיביים להפצת חום מאוחר יותר, בעוד מוליכות מטוס חוצה-מטוס נמוך ניתן לנצל עבור בידוד תרמי או לזרימת חום ישירה.

חומרים מעוכבים והתנהגות Anisotropic

גרפיטי וגרפן

Graphite, צורה טבעית של פחמן, מורכב שכבות גרפן ערימה.בתוך כל גיליון גרפן, אטומי פחמן הם sp2-hybriated וצורה מברשת דבש עם ⁇ חזק במיוחד חזק מאוד ⁇ -bonds. ⁇ אלה אג"ח אלה לוותר על גרף גבוה בתוך מטוס תרמי מוליכות כי יריבות של מתכת-מטוס, עם זאת, מוגבל על ידי לוחות חלשות / אטומיים מתחת ל-ידי גרף יחיד, 000, 000, 000, 000, 000 גרף, 000 גרף מבוסס על ידי גרף חום-ידי גרף חזק, 000 גרף חזק, 000 גרף חזק, 000 גרף חזק, 000 גרף חזק יותר, 000 גרף, 000 גרף, 000 גרף, 000 גרף חזק יותר, 000 עופרת עופרת מגנטיות תחת טמפרטורת חום-ידי גרף חזק יותר עופרת עופרת מגנטית, 000 עופרת מורכבת על ידי אטומית, 000 אטומית, 000 גרף חזק יותר עופרת אחורית, 000 גרף חזק יותר גרף חזק יותר עופרת מורכבת כי הם קרוב עופרת מורכבת כי הם קרוב עופרת אחורית, 000 עופרת מורכבת כי הם קרוב עופרת אחורית אחורית אחורית אחורית אחורית

Hexagonal Boron Nitride

h-BN הוא אורטורי לגרף אבל מורכב של שינוי ברון ואטומי חנקן.למרות מוליכות תרמית בתוך המטוס (~400 W / mK) נמוך יותר מאשר גרף, h-BN הוא insulating חשמלית, מה שהופך אותו יקר עבור הדורש פיזור חום ללא מוליכים חשמליים.הוא יחס גרף דומה גרפים, כלומר חום-IM רגיל יותר, הוא יעיל יותר עבור ניהול טמפרטורה גבוהה.

Metal Dichalcogenides (TMDs)

חומרים כגון MoSveFLT:0.2FLT:1hil, WSFLT:2033 ; ו-WSeveFLT:42FLT:5 יש מבנה שכבתי עם כל שכבה הכוללת מתכת מעבר אטום בין שני אטומי chalcogen.

השפעה על ניהול הירומל

האנזוטרופיה של חומרים שכבתיים יוצרת הן הזדמנויות עיצוב והן מגבלות.בתרחישים ניהול תרמיים רבים, מהנדסים רוצים לכוון חום לאורך נתיבים ספציפיים.לדוגמה, בתוך כיור חום, חום צריך לזרום ביעילות מן המקור החם אל סנפירים הקירור (במטוס) אבל לא בהכרח להתפשט לתוך תת-התחול (מטוס חוצה-מטוס).

אלקטרוניקה Cooling

אלקטרוניקה מודרנית מייצרת חום משמעותי לאזור יחידת שטח. שבבים בעוצמה גבוהה, כגון CPUs ומניפסט חשמל, דורשים התפשטות חום יעילה כדי להימנע כתמים חמים.חומרים שכבתיים כמו גליונות גרפיטי וסרטי גרפן משמשים כמו FLT:0 מפיץ חום מבוזרים מ-FLT:1 להציב ישירות על שבב.הטופים הגבוהים שלהם במהירות להפיץ את החום מאוחר יותר, להפחית את השיא בטמפרטורה נמוכה זהה, או מצמצם את הסוללות אלה.

חומרים נורמטיביים

(המכשירים התרמואלקטריים הופכים חום לחשמל (והפך) וצריכים חומרים בעלי מוליכות חשמלית גבוהה אך מוליכות תרמית נמוכה לשמירה על שטף טמפרטורה. Anisotropiced Materials מציעים מסלול כדי להכפיש את התכונות הללו.על ידי השגת מוליכות חשמלית גבוהה במטוס (בדרך כלל באמצעות מינון) תוך שמירה על מוליכות תרמית של מטוס צלב נמוך, חומרים כאלה יכולים לשפר את הדמות המועילה (FIR3:2FIRD)

חומרים ממשקיים (TIM)

חומרי ממשק תרמיים חמים ממלאים את הפער בין מקור חום לבין כיור חום. אידיאלי, TIM צריך להיות מוליכות תרמית גבוהה חוצה כוכבי לכת להעביר חום על פני הממשק.עם זאת, רבים TIMs מסורתיים (greases, כריות) סובלים מהתנהגות נמוכה. Anisotropic מילויים כגון גרפיםKKic או חלקיקים h-BN יכול להיות מיושר בתוך מטריצה פולימר כדי ליצור התאמות גבוהות יותר, הם מוליכים למחצה.

טכניקות מדידה עבור Anisotropic Thermal Conductivity

מדידת מוליכות תרמית בחומרים אנטרופיים דורשת טכניקות שיכולות לפתור רכיבים כיוון.שיטות סטנדרטיות לדגימות איזוטרופיות (למשל, שיטת הבזק לייזר לחומרים גדולים) יש להתאים או להחליף אותן בגישות מתוחכמת יותר.

זמן-דומיין Thermoreflectance (TDTR)

TDTR היא טכניקה אופטית של משאבה שיכול למדוד מוליכות תרמית בסרטים דקים וכיוונים שונים. a הדופקd לייזר מחמם שכבת מתכת transducer על פני השטח של הדגימה, ו לייזר בדיקה מודד את הטמפרטורה דעיכה עםרזולוציה פיקו שנייה. על ידי שינוי גודל הנקודה או ניתוח האות על משטחים שונים, אחד יכול לחלץ הן במטוס והן חוצה כוכבי לכת.

3 שיטת קידוד

שיטת 3 ⁇ משתמשת קו מתכת שהופקדו על הדגימה לטמפרטורת חום וחוש.על ידי יישום זרם AC בתדירות ⁇ ומדידה את המתח השלישי הרמוני, ניתן לקבוע את מוליכות תרמית של תת-המתח.עבור דגימות anisotropic, תצורה מרובות (למשל, רוחבי קו שונים, אוריינטציה) לאפשר מיצוי של מוליכים כיוון.

לייזר Flash Analysis (LFA)

LFA היא טכניקה סטנדרטית למדידת דיפוכיות תרמיות של חומרים גדולים.עבור דגימות anisotropic, הדגימה חייבת להיות לחתוך ומוכוונת כך שזרימת חום היא לאורך הכיוון הרצוי. לחלופין, מערכת LFA שונה עם ציון לייזר ממוקד יכול למדוד דיוקפילות מאוחר יותר.שלב LFA עם טכניקות אינפרא אדום אחרות כמו thermography מאפשר מיפוי של נכסים חד-כוכביים ולוחמיים.

אסטרטגיות הנדסיות למינוף Anisotropy

למעצבים יש כמה כלים לנצל את האנזוטרופיה התרמית במכשירים מעשיים:

(FLT:0Layer Orientation ControlFLT:1: הגישה הישירה ביותר היא להתאים את השכבות לכיוון של זרימת חום הרצויה.בפולימרים עם ממלאים דמויי קשקשים, מגנטיים או חשמליים יכולים או למקם את הפיתיקים במהלך ריפוי.
(FLT:0)Composite DesignveFLT:1: ערבוב שני חומרים אנזוטרופיים יכול ליצור מורכב עם מוליכות אנזוטרופית מותאמים.לדוגמה, ערבוב גרפיט ו- h-BN במריצה פולימרית מניבה קטורציה חשמלית רק במטוס (אם גרט מותאם) תוך שמירה על מטוס בידוד חשמלי.
(FLT:0)NanostructuratingingFLT:1: היכרות ממשקים או פגמים יכולה להפחית מוליכות תרמית באופן סלקטיבי.לדוגמה, ב superlatticess תרמואלקטרי, ממשקי זמן מתפזרים פוני יותר מאלקטרונים, צמצום מוליכות חוצה מטוסים תוך שמירה על תחבורה חשמלית.
(FLT:0)Graded AnisotropyFreaLT:1; על ידי שינוי היישור או ההרכב דרך עובי, ניתן ליצור חומר שיש לו מוליכות גבוהה בתוך המטוס ליד פני השטח ו מוליכות נמוכה יותר של כוכבי לכת עמוק יותר.זה שימושי עבור ציפוי תרמי עם יכולת התפשטות חום על פני השטח.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות ההבטחה של חומרים משכבות אנזוטרופיות, כמה אתגרים נשארים. Controlling היישור בקנה מידהFLT:1] הוא קשה - דגנים מוכווניים או ממלאים להפחית את האנזוטרופיה היעילה.

מחקר עתידי מתמקד ב-FLT:0 (חומרים משכבות) ב-Aisotropy קיצוני (בדומה ל-Fsphorus שחור (phosphorene), המציגה חומר חד-כוכבי חזק בתוך-מטוסים, אשר מציג עצמו (שיחד עם Zigzagzag ו- Armchair) סימולציה של סגסוגת (FLT:2hine LearningFLT:3 ו-High-up-up-upal) משמש לחיזוי נוסף של סגסוגת אופטימחדשהת (מחדשה-FRMITUFRMITU) באמצעות סגסוגת) באמצעות סגסוגת:2acopicatorerative) סגסוגת:2macerativeerative).

גבול נוסף הוא התפתחותן של מערכות ניהול תרמיות דינמיות (FLT:0) אשר יכולות לעבור בין מצבי התנהגות גבוהים ונמוכים.חומרים שכבתיים עם הפיכה בין-שכבת שטח (למשל, באמצעות מתח או אלקטרוכימי) יכולים לאפשר החלפת חום פעילה - מושג הנקרא לפעמים "טרנסיסטרמית".

מסקנה

Anisotropy הוא לא רק נכס סקרן של גבישים מסוימים - זה מנוף רב עוצמה לשליטה בזרימת חום בחומרים מתקדמים.שכבת חומרים, מגרף כדי לעבור dichalcogenides מתכת, להציג כמה מהיחסים המוליכים התרמית הידועים ביותר בין מכשירים חד-כוכביים וטרכי משקל ספציפיים.זה התלות כיוון מושרשת במבנים הייחודיים שלהם, שבו חזק בדלים קשרים הדוקים עם כוחות מכניים חלשים כגון שיטות מכניים יעילים, כמו מהנדסי לחץ דם, כמו , וטכניקות סטנדרטיים סטנדרטיים.

ככל שהביקוש לאלקטרוניקה קומפקטית, ביצועים גבוהים ומערכות תרמיות יעילות אנרגיה גדל, הבנה וניצול anisotropy הופך להיות קריטי יותר מתמיד.חומרים שנבדקו כאן, יחד עם תרכובות ממותגות, מציעים ערכת כלים תכליתית לניהול תרמי. על ידי כבוד האופי הכיוון של תחבורה חום, מהנדסים יכולים לעצב מכשירים שלא רק מתפזרים חום יעיל יותר, אלא גם לנצל אנטרופיה תרמית עבור חידושים פונקציונליים פונקציונליים פונקציונליים.

(בקריאה נוספת, ראה ביקורות מקיפים על מוליכות תרמית Aisotropy (FLT:0in שכבת חומרים ⁇ FLT:1 ויישומים מעשיים FLT:2in תרמי ניהול LT 3: 3 מסדי נתונים מקוונים כגון FLT:4NIST Thermal Conductal DatabaseFLT:5 לספק נתונים אמינים עבור חומרים אנרכוטרופיים רבים.