هدایت حرارتی نانولوله‏های کربنی-قسمت سوم

[parisa]

• مقدمه:
  در مقاله‏ ی قبلی دو مثال از کاربرد نانولوله‏های کربنی در بهبود خواص حرارتی نانوکامپوزیت‏های زمینه‏ی پلیمری و زمینه‏ی سرامیکی ارائه دادیم. مشخص شد که نانولوله‏های کربنی تاثیر چشمگیری بر بالا بردن نرخ هدایت حرارت در این مواد زمینه دارند. در این مقاله با یکی از چالش‏های موجود در صنعت میکروالکترونیک آشنا می‏شویم و به توانایی‏های نانولوله‏های کربنی به عنوان موادی جدید در حل این معضل پی می‏بریم.
  در یک مطالعه، محققین تاثیر حضور نانولوله‏های کربنی را بر رسانایی حرارتی بین دو قطعه‏ی جداگانه از یک نوع ماده بررسی کرده‏اند. اما پیش از توضیح این کاربرد، ابتدا موضوع اصلی این کاربری را مطرح می‏کنیم. اتلاف حرارتی اساسی‏ترین مشکلی است که کارایی، قدرت و قابلیت اطمینان و متعاقبا کوچک‏سازی قطعات میکروالکترونیک را محدود می‏سازد. در این ادوات، فاصله‏ای بین منبع تولید کننده‏ی حرارت (قسمتی از ابزار که به دلیل اتلاف انرژی در آن و تبدیل شدن انرژی مصرفی آن به حرارت، مداوما در حال گرم شدن است) و ماده‏ای که وظیفه‏ی انتقال این حرارت به بیرون از ابزار را دارد، وجود دارد. از طرفی عملکرد حرارتی این ابزارها شدیدا تحت تاثیر مقاومت حرارتی مربوط به فاصله بین منبع حرارتی و ماده‏ی تخلیه کننده‏ی حرارت قرار دارد. برای درک بهتر ماهیت این فاصله، مشاهده‏ی زیر را مطالعه کنید.

مشاهده: برای همگی ما پیش آمده است که ماده‏ای گرم را در دستان خود بگیریم. می‏توانید هنگامی را در نظر بگیرید که برای خرید نان تازه به نانوائی رفته‏اید. در این حالت اگر دستتان را کاملا در تماس با جسم داغ (نان) قرار دهید، و یا روی آن فشار دهید، شما داغی آن جسم را بر روی دستان خود احساس می‏کنید، اما اگر در دستان خود احساس سوزش کنید، کمی دستتان را شل می‏کنید و در نتیجه داغی جسم از روی دست شما برطرف می‏شود. در واقع و به زبان فیزیک، انتقال حرارت از جسم گرم به دستان شما کاهش یافته است. می‏توان با ادبیاتی معادل، این طور گفت که در این حالت مقدار همبستگی بین کف دستان شما و جسم گرم کاهش یافته و در نتیجه فواصل کوچکی بین دستان شما و جسم گرم ایجاد شده و در نتیجه، مقاومت حرارتی فضای بین دست شما و جسم گرم افزایش یافته است.​

با توجه به مشاهده‏ی بالا و مطالب بیان شده می‏توان چنین گفت که عملکرد حرارتی این ابزارها شدیدا تحت تاثیر مقاومت حرارتی مربوط به فاصله‏ی بین منبع حرارتی و ماده‏ی تخلیه کننده‏ی حرارت قرار دارد. بهبود رسانایی حرارتی موجب کاهش مقاومت حرارتی ایجاد شده توسط این فاصله که مجرای شار حرارتی است، می‏شود. از آنجایی که هیچ سطحی هرگز کاملا صاف نیست، حد فاصل بین دو سطح شامل اتصالات نقطه‏ای در قسمت‏های بر آمده و همچنین بسته‏های هوایی (که به آن‏ها گاف هوایی می‏گوییم) در قسمت‏هایی که از یکدیگر دور هستند، می‏باشد (شکل 1). کمی از حرارت از طریق نقاط تماس فیزیکی عبور کرده و مقدار بیشتر آن باید از گاف‏های هوایی عبور کنند. همان‏گونه که می‏دانید، هوا رسانای بسیار ضعیفی برای گرماست، بنابراین باید آن را با یک ماده‏ی دیگر جایگزین کنیم.

شکل 1- نمایی از فصل مشترک بین دو سطح که در تماس با یکدیگر هستند. این تصویر چند هزار برابر بزرگ‏تر از اندازه‏های واقعی رسم شده است.​

موضوع اصلی مدیریت حرارتی در بسیاری از کاربردها، و در واقع موضوع مورد بحث ما در این قسمت، تخلیه‏ی موثر حرارت از ابزار به محیط پیرامون می‏باشد. عموما این کار شامل چهار مرحله‏ی زیر می‏باشد:

1. انتقال حرارت درون ابزار گرم شده (درون ماده)
2. نتقال حرارت از ابزار گرم شده به تخلیه کننده‏ی حرارت (از محل اتصال دو ماده)
3. انتقال حرارت درون تخلیه کننده‏ی گرما (درون ماده)
4. انتقال حرارت از تخلیه کننده‏ی گرما به محیط پیرامون (از محل اتصال دو ماده)

پرسش 1: با توجه به آن‏چه در بالا گفته شد، کندترین مرحله‏ی فرآیند، موجب محدود شدن سرعت فرآیند کلی می‏گردد. بنابراین دیگر مراحل هر چقدر هم سریع پیشروی کنند، تاثیری در سرعت کلی فرآیند ندارند. آیا می‏توانید این پدیده را توجیه کنید؟​

هر یک از این چهار فرآیند، ویژگی‏های خاص خود را دارد. از جمله این‏که سرعت پیشروی هر یک از این مراحل بسته به عوامل مختلفی تعیین می‏شود و با سرعت فرآیند دیگری، متفاوت است. از طرفی این مراحل همگی به طور مستقل ولی با هم در حال رخ دادن بوده و در مجموع موجب انتقال حرارت از منبع ایجاد گرما به محیط پیرامون می‏شوند. بنابراین مرحله‏ای که کندتر از بقیه پیش برود، در مجموع سرعت پیشروی تمام فرآیند را تحت تاثیر خود قرار خواهد داد.

پرسش 2: با توجه به مطالب ارائه شده، آیا می‏توانید تعریف دقیقی از سطح تماس واقعی و اسمی و همچنین رابطه‏ای ریاضی برای محاسبه‏ی آن‏ها ارائه دهید؟​

بنابراین انتقال حرارت از فصل مشترک بین ابزار و تخلیه کننده، از طریق اتصالات بسیار کوچک در برآمدگی‏های سطح و همچنین گاف‏های پر شده از هوا صورت می‏گیرد. در واقع مرحله‏ی محدود کننده‏ی سرعت (انتقال حرارت بین سطوح تماس ابزار گرم شده و تخلیه کننده‏ی گرما)، همان مرحله‏ای است که گرما باید از طریق گاف‏ها هوایی که به طور ناخواسته وجود دارند، منتقل شود. و از آنجایی‏که این مرحله بسیار کند است، باید ماده‏ای را در میان فصل مشترک دو سطح قرار دهیم تا از مقدار گاف‏های هوایی بکاهد و از طرفی خود این ماده انتقال حرارت بالایی داشته باشد تا خود به عنوان سدی در برابر انتقال حرارت شناخته نشود.

پرسش 3: گفته شد که برای کارایی بهتر این ادوات میکروالکترونیک، باید تخلیه‏ی حرارت به سرعت انجام پذیرد. آیا می‏توانید اهمیت و لزوم این موضوع را بیان نمایید؟​

اکنون به تحقیق صورت گرفته می‏پردازیم. محققین در این تحقیق دو نوع ماده را انتخاب کردند. آلومینیوم و گرافیت، که هر دو از رساناهای بسیار خوب حرارت هستند. برای این بررسی، در یک حالت دو قطعه از ماده‏ی مورد نظر روی هم قرار داده شد (بدون نانولوله) و در حالت دوم، بین دو قطعه مقداری نانولوله‏ی کربنی قرار داده شد. حالت اول برای به دست آوردن معیار ارزیابی داده‏های آزمایش در نظر گرفته شده است. شماتیک این دو حالت را در شکل 2 می‏بینید.

شکل 2- شماتیک الف) حالت اول، ب) حالت دوم​

نتایج حاصل از این تحقیقات در جدول 1 گزارش داده شده است.

نمونه‏ی مورد بررسی	هدایت حرارتی (W/mk)	درصد بهبود
قطعه‏ی آلومینیومی	95/73	-
دو قطعه‏ی آلومینیومی در تماس مستقیم با یک‏دیگر	8/956	-
دو قطعه‏ی آلومینیومی با وجود نانولوله‏های کربنی در فصل مشترک آن‏ها	43/457	385/16
قطعه‏ی گرافیتی	102/066	-
دو قطعه‏ی گرافیتی در تماس مستقیم با یک‏دیگر	13/475	-
دو قطعه‏ی گرافیتی با وجود نانولوله‏های کربنی در فصل مشترک آن‏ها	62/278	362/79

همان‏گونه که دیده می‏شود، بدون در نظر گرفتن ماده‏ی حد واسط در فصل مشترک، هوای به دام افتاده در میان گاف‏های هوایی موجب ایجاد مقاومت حرارتی می‏شوند. با در نظر گرفتن ماده‏ای مناسب مانند نانولوله‏های کربنی، می‏توان تا حد زیادی بر این مقاومت فائق آمد.