Resumen de Materiales espumados metálicos con inclusiones térmicas de base carbono y nanoingeniería interfacial
Introducción Las espumas metálicas de poro abierto presentan elevada superficie específica por unidad de volumen, baja densidad, gran capacidad de transferencia de calor, así como unas propiedades mecánicas aceptables. La combinación de estas propiedades junto con una estructura porosa interconectada que permite el paso de un fluido a su través hace de estos materiales excelentes candidatos para numerosas aplicaciones en el campo de la electroquímica como electrodos, en catálisis como soportes catalíticos, en ingeniería biomédica donde se utilizan como implantes biocompatibles y biodegradables y en el área de la electrónica como disipadores e intercambiadores de calor (Banhart,2001; García-Moreno,2016).
En los últimos años, el control térmico en la industria electrónica, aeronáutica y aeroespacial se ha convertido en un foco de estudio de numerosos autores como consecuencia de los grandes avances tecnológicos actuales, que implican una miniaturización de los equipos electrónicos y un aumento de la potencia y prestaciones de los mismos. En condiciones normales de operación, los equipos más modernos generan grandes excesos de calor que deben ser eliminados con el fin de evitar fallos y roturas de los empaquetados electrónicos (Schelling,2005; ZWeben,2006). La arquitectura de estos empaquetados electrónicos, en su forma más simple, consiste en un chip de silicio (foco emisor de calor) seguido de un material cerámico que cumple la función de aislante eléctrico (normalmente, de AlN) y de dos tipos de materiales responsables de eliminar los excesos de calor. Por un lado, se emplean los conocidos disipadores pasivos, caracterizados por presentar elevada conductividad térmica y bajo coeficiente térmico de expansión. Estos componentes conducen el calor a través de su estructura hasta zonas más alejadas donde se localiza un disipador activo. Los materiales compuestos metal/cerámica, como aluminio/diamante y aluminio/grafito, son buenos ejemplos de disipadores de calor pasivos. Numerosos autores revelaron que las prestaciones de estos materiales pueden ser mejoradas mediante la nanoingeniería interfacial matriz-refuerzo, dando lugar a materiales compuestos de conductividad térmica superior, bajos coeficientes térmicos de expansión y, en ocasiones, propiedades mecánicas mejoradas (Weber,2009; Monje,2012; Monje,2013; Monje,2014; Che,2017). Por otro lado, los disipadores activos se encargan de transportar el calor por conducción a través de la estructura sólida del material y transferirlo por convección a un fluido en movimiento a través de su estructura interna que lo elimina al medio. Los disipadores activos más comunes son los conocidos disipadores de aletas de aluminio. En ocasiones, estos son sustituidos por espumas metálicas de poro abierto puesto que presentan una mayor área específica, elevado coeficiente térmico de transferencia, así como una buena conductividad térmica y densidad reducida (Zaragoza,2013; Bhattacharya,2002; Han,2012; Feng,2014).
Existen dos estrategias para la generación de porosidad en espumas de poro abierto: i) autoformación, según la cual la porosidad se genera mediante un proceso de evolución regido por los principios físicos, y ii) prediseño, donde la estructura se crea de forma más controlada con el uso de moldes mártir que determinan las cavidades porosas. Las técnicas de fabricación de espumas de poro abierto en las que la generación de porosidad se controla empleando una estrategia de prediseño pueden clasificarse en cuatro grupos atendiendo al estado del material precursor: líquido, sólido, vapor e iones (Banhart,2001). Cuando el material precursor se encuentra en estado líquido, las técnicas de procesado más importantes son la colada a molde perdido de espumas poliméricas y la colada alrededor de partículas o infiltración sobre preformas mártir. Si el procesado se lleva a cabo con un precursor en estado sólido, pueden destacarse técnicas como: sinterización parcial de polvos y fibras, presurización y sinterización de polvos en preformas mártir, sinterización de esferas huecas, sinterización de polvos y aglutinantes, o reacción de sistemas multicomponentes. Así mismo, el procesado de espumas en estado vapor e iónico concierne la deposición de vapor y electrodeposición, respectivamente, del material precursor sobre espumas poliméricas.
De entre la amplia variedad de técnicas de fabricación, la infiltración de preformas mártir, también conocida como método de replicación, resulta ser la más interesante puesto que permite el mejor control sobre el material. Este método ha sido utilizado tradicionalmente para la obtención de espumas metálicas de poro abierto (Conde,2006; Kuchek,1964; Carlson,1967). El método de replicación consiste en producir una preforma porosa, normalmente de partículas empaquetadas, con un agente plantilla (cloruro de sodio, carbón, etc.) que posteriormente es infiltrada con metal fundido o cualquier otro líquido precursor de la matriz para producir un material compuesto. Tras la solidificación del líquido precursor, esta es eliminada o bien por disolución o bien por reacción química controlada (por ejemplo, combustión) para dejar una estructura porosa interconectada que puede ser considerada como el "negativo" de la preforma inicial. Este método tiene la ventaja de ser suficientemente versátil como para permitir el control de la fracción de volumen, el tamaño, la forma y la distribución del tamaño de los poros. Con este control preciso, las propiedades de las espumas fabricadas pueden ser ajustadas fácilmente al intervalo deseado. Dependiendo del material precursor y de la arquitectura porosa final deseada, diferentes materias primas han sido empleadas para la preparación de preformas mártir. No obstante, el material más utilizado es el cloruro de sodio (NaCl) en forma de partículas, que puede ser convenientemente empaquetado e infiltrado con precursores líquidos a temperaturas inferiores a su punto de fusión (801°C) y luego eliminado por disolución en soluciones acuosas. Las espumas metálicas obtenidas por el método de replicación se caracterizan por presentar baja porosidad (menor al 70%), dando lugar a materiales con caídas de presión más elevadas que las espumas metálicas comerciales, pero con una clara ventaja frente a estas: la habilidad de disipar grandes cantidades de flujo de calor como consecuencia de una elevada fracción de volumen de metal.
Una revisión bibliográfica de los últimos años revela que diversos autores han adoptado la estrategia de incorporar nuevas fases a las espumas de poro abierto, ya que parece ser una forma adecuada de superar los requisitos de muchas aplicaciones tales como las estructurales, catalíticas, electroquímicas y biomédicas. Sin embargo, existen escasos antecedentes donde se contemple dicha estrategia para modificar materiales aplicados al control térmico activo. A pesar de los grandes atributos que presentan las espumas metálicas tradicionales utilizadas para disipación térmica, el acelerado crecimiento tecnológico hace que sus prestaciones sean insuficientes para cumplir con los requisitos de los equipos electrónicos más avanzados. Existe, por tanto, la necesidad de reformular sus diseños con el fin de potenciar sus propiedades.
La presente Tesis Doctoral se enmarca en el campo de la Ciencia de Materiales, en concreto, en el desarrollo de materiales espumados metálicos con porosidad interconectada (también conocidos como espumas de poro abierto) para aplicaciones de disipación térmica. Dicho desarrollo concierne el prediseño de los materiales, su fabricación y una posterior caracterización microestructural, térmica, fluidodinámica y mecánica. Esta plantea las hipótesis que a continuación se detallan:
1. Las espumas metálicas, ampliamente utilizadas para disipación térmica, presentan propiedades que han limitado su uso en las tecnologías emergentes, de modo que sus diseños han de ser reformulados. La estrategia de incorporar nuevas fases en la matriz estructural de las espumas metálicas parece ser la forma más adecuada para ampliar su aplicabilidad.
2. El método de replicación, comúnmente utilizado para la fabricación de espumas metálicas de poro abierto, es suficientemente versátil como para permitir un control sobre la estructura porosa del material final. La utilización de preformas mártir para la generación de porosidad a partir de un agente plantilla, permite que la incorporación de nuevas fases en el empaquetado sea completamente viable, siempre que se tengan en consideración ciertos aspectos de diseño. Ejemplo de ellos son, entre muchos, que las fases incorporadas no rompan la coordinación de las partículas del agente plantilla de tal modo que impidan la eliminación de estas tras la infiltración, evitando así la interconexión entre poros en el material final; o bien que el sistema matriz-inclusión presente una mala interfase térmica y/o mecánica.
3. La utilización de refuerzos de base carbono en materiales compuestos de matriz aluminio, tales como copos de grafito o diamante, han proporcionado conductividades térmicas muy superiores a los materiales monolíticos análogos, de modo que pueden considerarse como potenciales inclusiones térmicas en espumas metálicas de poro abierto.
4. Puesto que la eliminación de calor en los disipadores activos ocurre por un mecanismo de conducción/convección forzada, los materiales con mayor conductividad térmica serán capaces de conducir el calor de forma más efectiva hasta zonas más alejadas del foco emisor de calor, que posteriormente será transportado por un fluido para eliminarlo al medio. Por ello, se espera que las espumas metálicas de poro abierto con inclusiones térmicas de base carbono den lugar a potencias disipadas superiores en comparación con las espumas metálicas tradicionales.
En base a estas hipótesis, se formulan los siguientes objetivos generales: 1. Desarrollo de espumas de aluminio de poro abierto que contengan copos de grafito como inclusiones térmicas (espumas de material compuesto aluminio/copos de grafito) y evaluación de su aplicabilidad en el campo de la disipación térmica activa.
2. Desarrollo de espumas de aluminio de poro abierto que contengan partículas de diamante como inclusiones térmicas (espumas de material compuesto aluminio/diamante) y evaluación de su aplicabilidad en el campo de la disipación térmica activa.
3. Empleo de la nanoingeniería interfacial con el fin de modificar las propiedades de las espumas de aluminio de poro abierto con inclusiones térmicas de base carbono (copos de grafito y partículas de diamante) y evaluación de su aplicabilidad en el campo de la disipación térmica activa.
Así mismo, los objetivos específicos se enumeran a continuación: 1. Diseño y fabricación de espumas de aluminio de poro abierto que incorporen copos de grafito, haciendo uso del método de replicación y variando la fracción de volumen de las fases presentes.
2. Diseño y fabricación de espumas de aluminio de poro abierto que incorporen partículas de diamante, haciendo uso del método de replicación y variando la fracción de volumen de las fases presentes.
3. Diseño y fabricación de espumas de material compuesto aluminio/copos de grafito y aluminio/diamante con interfases metal-inclusión modificadas, haciendo uso del método de replicación y la nanoingeniería interfacial.
4. Caracterización microestructural de los materiales fabricados, en la que se evalúe la orientación de los copos de grafito, la distribución de las inclusiones en la fase matriz, la morfología y tamaño de las ventanas de interconexión, así como las interfases metal-inclusión generadas.
5. Caracterización fluidodinámica de los materiales fabricados, en los que se evalúe la caída de presión y la permeabilidad de los mismos.
6. Caracterización térmica de los materiales fabricados, contemplando propiedades tales como conductividad térmica y potencia disipada en condiciones operacionales.
7. Evaluación del comportamiento mecánico de los materiales fabricados mediante ensayos de flexión a tres puntos.
8. Empleo de las herramientas de simulación computacional para la modelización térmica de espumas de material compuesto aluminio/diamante y verificación de los resultados experimentales.
9. Evaluación de la viabilidad de los materiales fabricados para su uso como disipadores de calor en aplicaciones de control térmico activo.
El cumplimiento de los objetivos planteados se evidencia en el desarrollo de los siguientes cuatro capítulos. Dos de ellos fueron publicados como artículos científicos en revistas indexadas en Journal Citation Reports - JCR (Capítulo 1 y 3 en el primer cuartil), otro se publicó como capítulo de libro de acceso abierto (Capítulo 2) y el último se encuentra en aras de ser publicado como artículo científico en una revista del primer decil (Capítulo 4). La consecución de todos ellos constituye una unidad temática de alto interés científico-tecnológico, proporcionando un nuevo abanico de aplicabilidad para las espumas de poro abierto en lo referente al control térmico activo. Así mismo, se cree que el desarrollo de los materiales aquí planteados, así como las técnicas empleadas para su fabricación, pueden ser una nueva vía exploratoria para su aplicación no sólo en la industria electrónica, sino también en otras como la biomédica y catalítica.
Desarrollo Capítulo 1. Vencer el reto del control térmico mediante la incorporación de grafito en espumas de aluminio En el Capítulo 1 de la presente Tesis Doctoral se propone el diseño, la fabricación y la caracterización de una nueva familia de espumas de aluminio de poro abierto con copos de grafito como inclusiones térmicas. Los nuevos materiales fueron inspirados en la unión de dos ideas: el empleo de inclusiones de base carbono como potenciadores de la conductividad térmica (Prieto,2008; Prieto,2011; Molina,2015) y el aprovechamiento de las ventajas fluidodinámicas que proporcionan los materiales con una estructura porosa interconectada (Despois,2005; Furman,2013). Las ventajas de los copos de grafito (Gf) como inclusiones térmicas incluyen una baja densidad, fácil mecanizado y elevada anisotropía. Esta última repercute en propiedades como la conductividad térmica (1000-2000 Wm-1K-1 en el plano basal y 38 Wm-1K-1 en el plano perpendicular), el coeficiente térmico de expansión (-1×10-6 K-1 en el plano, 28×10-6 K-1 fuera del plano) y el comportamiento mecánico (Prieto,2008; Prieto,2011; Molina,2015).
Las espumas de material compuesto fueron fabricadas mediante el conocido método de replicación. Para ello, se prepararon preformas porosas que consistían en compactados de cloruro de sodio y copos de grafito orientados y convenientemente distribuidos. Las preformas se infiltraron por presión de gas con aluminio líquido, el cual fue rápidamente solidificado con el fin de evitar la formación de productos de reacción en la interfase metal-inclusión. A continuación, las partículas de NaCl se eliminaron por disolución, obteniéndose dos familias de materiales que difieren en la distribución de las inclusiones en la fase matriz: i) espumas de aluminio con copos de grafito orientados y distribuidos homogéneamente en la matriz y ii) materiales formados por capas alternadas de espuma de aluminio y copos de grafito orientados.
La preparación de preformas porosas, que comúnmente consisten en compactados de partículas de una única naturaleza, tamaño y morfología, resultó ser una etapa crítica en el desarrollo de estos materiales debido de la incorporación de una nueva fase. Con el fin de optimizar el sistema, se llevó a cabo un estudio exhaustivo sobre el empaquetado de preformas, que contemplaba la utilización de diferentes presiones de compactación, así como la variación de las fracciones de volumen de las fases presentes (NaCl, Gf y poro). Los resultados revelaron que aquellas preformas preparadas a partir de mezclas homogéneas de NaCl y Gf orientados, presentaban dos claras restricciones. La primera de ellas viene determinada por la coordinación de las partículas de NaCl, la cual debe garantizar un proceso de disolución eficaz y completo del agente plantilla y puede entenderse como un límite de percolación. Las partículas de NaCl debían formar una red interconectada con un número de coordinación para cada partícula de al menos 3. En consecuencia, y teniendo en cuenta resultados de otros trabajos publicados, las fracciones de volumen de NaCl estaban limitadas a un valor mínimo de 0.3. La otra restricción conlleva la imposibilidad de fabricar muestras con composiciones determinadas como consecuencia de un empaquetamiento por acción de la gravedad y fue definida como límite de compactación. Esta restricción impide la preparación de preformas de alta porosidad (fracciones de volumen de poro mayores a 0.45) y bajo contenido en Gf (fracciones de volumen de Gf menores a 0.3). En el caso de las preformas en las que los copos de grafito se encuentran formando capas alternadas con los compactados de NaCl, ninguna restricción de percolación es aplicable. En un caso extremo en el que la fracción de volumen de NaCl es tan pequeña comparada con la de Gf que genera capas del espesor de la partícula de NaCl, la coordinación de estas sigue siendo suficiente para ser eliminadas de forma eficaz. Por el contrario, el límite mínimo de compactación también se detectó en este sistema para las preformas preparadas sin presión externa debido a la tendencia natural de las partículas de NaCl y los copos de grafito a colocarse unas encima de otras.
La optimización de los sistemas permitió la fabricación de una serie de materiales que fueron posteriormente caracterizados. Las permeabilidades de las espumas se obtuvieron por métodos experimentales y fueron verificadas mediante un modelo analítico. La aplicación del modelo, soportado por un estudio microestructural que permitió establecer la distribución de tamaños de ventanas de interconexión en las espumas, determinó que los valores de permeabilidad calculados concordaban mejor con los resultados experimentales cuando las ventanas de interconexión consideradas eran las de menor tamaño. Tal y como se esperaba, las espumas presentaban permeabilidades más bajas al disminuir su porosidad. Puesto que la incorporación de copos de grafito en las espumas de aluminio conlleva una disminución de la porosidad global de los materiales, estos generaban caídas de presión al paso de aire forzado superiores a las espumas de aluminio, pero con valores todavía convenientes para las aplicaciones más exigentes en control térmico de la industria electrónica.
Así mismo, se evaluó el comportamiento térmico de los nuevos materiales mediante medidas experimentales de conductividad térmica y potencia disipada en condiciones operacionales utilizando dispositivos diseñados y ensamblados en los laboratorios de la Universidad de Alicante. Las espumas de material compuesto proporcionaron conductividades térmicas longitudinales excelentes (estando los copos de grafito alineados con el flujo de calor), dentro del intervalo de 60-290 Wm-1K-1. Dichos valores fueron predichos con conocidos modelos teóricos que consideraban las dos microestructuras características de ambos tipos de materiales fabricados. Por otro lado, las espumas de material compuesto registraron potencias disipadas de hasta un 325% superior a las de las espumas de aluminio convencionales también fabricadas por el método de replicación.
Además de las prestaciones térmicas, resulta de gran interés conocer la respuesta mecánica de estos materiales ya que suelen estar ensamblados en módulos electrónicos mediante anclajes que imponen una determinada tensión de flexión. Para ello, las espumas fueron sometidas a ensayos de flexión a 3 puntos en una máquina de ensayos universal. Es bien sabido que los copos de grafito son mecánicamente ineficientes cuando se emplean como refuerzo en materiales compuestos de matriz metálica, característica que se trasladó a las espumas aquí fabricadas. Cuando los copos de grafito fueron incorporados a la estructura porosa, los módulos de flexión resultaron ser ligeramente inferiores a las espumas de aluminio, aunque muy superiores a otros materiales espumados empleados para el control térmico activo, haciendo de estos materiales excelentes candidatos para su uso como disipadores de calor.
Capítulo 2. Espumas de poro abierto modificadas por incorporación de nuevas fases: espumas multifásicas para aplicaciones térmicas, catalíticas y médicas emergentes La incorporación de nuevas fases en la matriz estructural de las espumas de poro abierto ha resultado ser una estrategia empleada por diversos autores para ajustar las propiedades de estos materiales en función de la aplicación deseada. Sin embargo, hasta el desarrollo del presente capítulo, no se encontraba en bibliografía ningún trabajo que reflejara la necesidad de rediseñar estos materiales ni recopilara las diferentes estrategias empleadas para su obtención. El contenido del Capítulo 2 versa sobre las diversas técnicas de fabricación, tanto de las espumas de poro abierto convencionales como de aquellas que incorporan nuevas fases (aquí denominadas espumas multifásicas de poro abierto).
Las espumas multifásicas de poro abierto desarrolladas son todavía escasas y pueden fabricarse por dos métodos bien diferenciados en función de la estructura final deseada. Por un lado, la incorporación de nuevas fases en materiales monolíticos se consigue mediante la precarga de partículas (inclusiones) en la preforma porosa, la precarga de partículas en el líquido precursor de la matriz, o bien por electrodeposición. De este modo se obtienen espumas de material compuesto o espumas con fases huésped alojadas en las cavidades porosas del material, ambas con una dispersión homogénea de las nuevas fases en una matriz continua. El segundo método empleado para la obtención de espumas multifásicas se basa en combinaciones de materiales monolíticos, normalmente caracterizadas por presentar una estructura de capas alternadas. Entre ellos, cabe destacar las espumas de aletas, que se obtienen mediante la unión de monolitos porosos y no porosos preexistentes (matriz discontinua) o por colada de un líquido precursor en un molde con preformas mártir preexistentes y convenientemente localizadas (matriz continua). En ambos casos, el material no poroso es considerado como la nueva fase. El molde puede contener también preformas mártir alternadas con empaquetados de partículas (inclusiones), dando lugar a espumas de aletas de material compuesto con una matriz continua.
Finalmente, el capítulo recoge los desarrollos de algunos materiales en los que se emplean los métodos anteriormente descritos, diseñados para aplicaciones térmicas, catalíticas y médicas.
Capítulo 3. Guiando el calor en el control térmico activo: Incorporación en un único paso de materiales compuestos de aluminio/diamante con nanoingeniería interfacial en espumas de aluminio Atendiendo a las excelentes prestaciones de los materiales desarrollados en el Capítulo 1 para disipación térmica activa, se consideró la necesidad de explorar nuevas espumas de material compuesto que incorporasen otras inclusiones térmicas de base carbono. Es bien sabido que las partículas de diamante son ampliamente seleccionadas como refuerzo en materiales compuestos de matriz aluminio para ser utilizados como disipadores pasivos en aplicaciones de control térmico. Estos materiales presentan bajos coeficientes térmicos de expansión y elevadas conductividades térmicas que, además, pueden ser convenientemente ajustadas controlando la reacción en la interfase aluminio-diamante durante su procesado (Monje,2012; Monje,2013; Monje,2014, Che,2017; Molina-Jordá,2014). El presente capítulo expone el diseño, la fabricación y posterior caracterización de materiales espumados que combinan las propiedades de disipación pasiva de los materiales compuestos aluminio/diamante con la elevada capacidad de disipación activa de las espumas de aluminio.
Los nuevos materiales, fabricados por el método de replicación, requirieron de la preparación de preformas porosas que consistían en empaquetados de partículas de NaCl (partículas mártir) y diamante, dispuestos en capas alternadas. El proceso de infiltración asistida por presión de gas de las preformas porosas con aluminio líquido se controló cuidadosamente con el fin de nano-dimensionar los productos de reacción en la interfase aluminio-diamante. Para ello, se varió el tiempo desde el punto en que se alcanza la máxima presión en la cámara de infiltración. Durante este tiempo (aquí llamado tiempo de contacto), el metal líquido permanece en contacto con las partículas de diamante determinando la reactividad del sistema y, por tanto, la calidad de la interfase generada. En el presente estudio se seleccionaron tiempos de contacto de 0, 15 y 45 minutos. Pasados estos tiempos, el metal fue solidificado y las partículas de NaCl se eliminaron por disolución. Como resultado, se obtuvieron materiales multicomponente estructurados en capas alternadas de componentes de espuma de aluminio y material compuesto aluminio/diamante. Las diferentes series de materiales fabricados presentaban una disposición longitudinal o transversal de las capas alternadas de cada componente, así como diferentes relaciones de volumen material compuesto:espuma (27:73, 35:65 y 70:30).
Del mismo modo que ocurre con las espumas que incorporan copos de grafito, la preparación de los nuevos materiales presenta ciertas restricciones asociadas al empaquetado de partículas en las preformas. Tal como se observó en el Capítulo 1, las partículas de NaCl y Gf pueden ser compactadas en capas alternadas con una presión externa para dar lugar a preformas autosustentables como consecuencia de la flexibilidad de los copos de grafito y las deformaciones locales que pueden sufrir las partículas de NaCl. Esta técnica permite obtener preformas con una amplia variedad de fracciones de volumen de cada fase. Sin embargo, resulta imposible generar preformas autosustentables empleando partículas de NaCl y diamante mediante la aplicación de una presión externa debido a la característica del diamante de ser no deformable. Estas preformas sólo pueden fabricarse en una banda estrecha delimitada por los límites superior e inferior de las fracciones de volumen de empaquetado de las partículas de NaCl (dentro del intervalo 0.58-0.63) y de las partículas de diamante (dentro del intervalo 0.60-0.61). En estos intervalos, los valores inferiores corresponden a la compactación mínima alcanzada por la disposición natural de las partículas cuando se someten a vibraciones. Los valores superiores corresponden al valor de compactación cuando las partículas son cuidadosamente empaquetadas con la ayuda de un pistón manual, permitiendo acomodar “mejor” las partículas.
La caracterización microestructural de los materiales multicomponente se llevó a cabo haciendo uso de la microscopía óptica y la microscopía electrónica de barrido (SEM) permitiendo observar, respectivamente, la estructura global de los materiales y los productos de reacción (cristales de Al4C3) en la interfase aluminio-diamante.
El comportamiento térmico de los materiales fabricados se evaluó mediante medidas de conductividad térmica y potencia disipada, haciendo uso de equipos diseñados y ensamblados en la Universidad de Alicante. Los resultados indicaron que las condiciones de procesado afectan a las prestaciones térmicas de los materiales, siendo aquellos que se fabricaron a tiempos de contacto de 15 minutos los que proporcionan mayor conductividad térmica. Los valores de conductividad térmica alcanzaron los 435 Wm-1K-1 cuando el material multicomponente presentaba un arreglo longitudinal (la disposición de las capas alternadas era paralela al flujo de calor) y una relación de volumen entre componentes material compuesto:espuma de 70:30. Además, este material proporcionó potencias disipadas en condiciones de trabajo de hasta un 130% superior a la de las espumas de aluminio convencionales también fabricadas por el método de replicación. Los valores de conductividad térmica se discutieron empleando conocidos modelos analíticos que consideran un sistema de capas alternadas semi-infinitas de material compuesto y espuma metálica, mientras que las potencias disipadas se corroboraron mediante modelización con elementos finitos por medio de la herramienta de simulación computacional Ansys-Fuent.
Por otro lado, los materiales se sometieron a una caracterización mecánica mediante ensayos de flexión a 3 puntos con una máquina de ensayos universal. Se determinó que las propiedades mecánicas de los materiales multicomponente escalaban con la conductividad térmica, indicando que la generación de una interfase térmica óptima daba lugar a la mejor interfase mecánica metal-partícula en los componentes de material compuesto. El valor del módulo de flexión para el material optimizado térmicamente resultó ser la mitad de la de un material compuesto aluminio/diamante obtenido bajo las mismas condiciones de procesado y casi 20 veces superior a las espumas de aluminio convencionales. Dado que estas no plantean problemas de fallo por flexión cuando se integran en los empaquetados electrónicos, se puede concluir que los materiales multicomponentes desarrollados en este estudio superan los requisitos mecánicos mínimos de estas aplicaciones.
Los resultados sugieren que la presencia de componentes de material compuesto aluminio/diamante de alta conductividad térmica puede mejorar significativamente la disipación de calor de las espumas de aluminio convencionales, ya que actúan principalmente como guías térmicas eficaces que conducen el calor y lo transfieren a los componentes de la espuma de aluminio donde la disipación se consigue por convección forzada. La elevada transmisión de calor entre capas, causada por la presencia de una matriz metálica continua entre ambos componentes, hace de estos materiales serios candidatos para su aplicación en control térmico activo.
Capítulo 4. Espumas de material compuesto Al/Gf con interfases dimensionadas de SiC para la próxima generación de materiales en disipación de calor activa Los resultados derivados de los estudios llevados a cabo en el Capítulo 1 y 3 inspiraron el desarrollo del presente capítulo. Este último se centra en la modificación de espumas de material compuesto aluminio/copos de grafito mediante la incorporación de carburo de silicio (SiC) en la interfase metal-inclusión con el fin de mejorar sus propiedades térmicas y mecánicas (Xue,2016; Wang,2016; Li,2021).
La bibliografía reporta numerosos estudios en los que se emplean copos de grafito como refuerzo de materiales compuestos con el fin de ser utilizados como disipadores pasivos. Sin embargo, las excelentes propiedades de los copos de grafito a menudo no se transfieren a los materiales compuestos finales debido a la débil unión interfacial entre el aluminio y los copos de grafito, que se debe principalmente a la mala mojadura del sistema matriz-refuerzo. Se ha demostrado que la ingeniería interfacial puede mejorar las propiedades térmicas y mecánicas de estos materiales mediante el recubrimiento de los copos de grafito con fases cerámicas como carburos metálicos. Esta idea fue aplicada en el presente capítulo para el desarrollo de espumas de material compuesto aluminio/copos de grafito mejoradas.
Los nuevos materiales se fabricaron mediante el método de replicación. Para ello, se prepararon dos series de preformas porosas diferenciadas por el tamaño medio de las partículas presentes: i) preformas de NaCl de 105 m que contenían una distribución homogénea de Gf de 150 m orientados y recubiertos de SiC y ii) preformas de NaCl de 305 m que contenían una distribución homogénea de Gf de 500 m orientados y recubiertos de SiC. A continuación, las preformas fueron infiltradas por presión de gas con aluminio líquido empleando un tiempo de contacto igual a cero. Tras la solidificación del metal, el agente plantilla fue eliminado por disolución, dando lugar a espumas de material compuesto con una estructura porosa interconectada. La optimización de la interfase y, por tanto, de las prestaciones de estos materiales, se llevó a cabo empleando Gf con diferentes grados de recubrimiento de SiC. Para ello, se empleó el conocido método de síntesis en sales fundidas variando el tiempo de tratamiento (de 1 a 60 minutos).
La morfología y composición química de los recubrimientos generados sobre los copos de grafito fueron analizadas empleando diversas técnicas de caracterización como microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopía de rayos X acoplado a SEM (SEM-EDX) y difracción de ratos X (DRX). Los resultados confirmaron que los recubrimientos generados sobre los copos de grafito mediante el método de síntesis en sales fundidas eran de SiC y presentaban discontinuidad, incluso en aquellos casos en los que se emplearon tiempos de tratamiento más prolongados.
Las medidas de caída de presión indicaron que las espumas de material compuesto con poros de mayor tamaño (derivadas del uso de partículas de NaCl grandes) daban lugar a permeabilidades más elevadas. Al igual que en el Capítulo 1, se empleó un modelo analítico que permitió predecir el comportamiento fluidodinámico de los materiales. Dicho modelo, soportado por un análisis microestructural que permitió determinar la distribución de tamaños de ventanas de interconexión, estableció nuevamente que las permeabilidades calculadas se correlacionan mejor con las medidas experimentales cuando se consideran los menores tamaños medios de ventana.
Por otro lado, se evaluaron las prestaciones térmicas de los materiales espumados mediante medidas experimentales de conductividad térmica y potencia disipada en condiciones operacionales. Para ello, se hizo uso de equipos diseñados y ensamblados en los laboratorios de la Universidad de Alicante. La mejor conductividad térmica registrada fue de 232 Wm-1K-1 para la espuma que contenía Gf de 500 m recubiertos durante un tratamiento de 10 minutos y una disposición longitudinal (con los Gf orientados paralelamente al flujo de calor). Así mismo, se comprobó que la disipación de calor del material optimizado era aproximadamente un 500% superior a la de las espumas de aluminio convencionales y un 104% mayor que la de las espumas aluminio/copos de grafito con interfases no modificadas.
Por otro lado, la caracterización mecánica fue llevada a cabo sometiendo los materiales a ensayos de flexión a 3 puntos con una máquina de ensayos universal. Al igual que en los materiales multicomponente presentados en el Capítulo 3, se determinó que las espumas de material compuesto con Gf de 500 m y la mejor interfase térmica presentaban el mejor comportamiento mecánico de su serie. El módulo de flexión resultó ser del doble que el de una espuma análoga con una interfase no modificada. En su conjunto, los resultados sugieren que este material espumado puede ser considerado un excelente candidato para las futuras generaciones de disipadores de calor activos en electrónica.
Conclusiones generales De acuerdo con los desarrollos llevados a cabo durante la presente Tesis Doctoral, se exponen las siguientes conclusiones:
- Las espumas metálicas convencionales de poro abierto, cuyas prestaciones térmicas son insuficientes para cumplir con los requisitos de disipación térmica en los equipos electrónicos más avanzados, han sido rediseñadas mediante la incorporación de nuevas fases (inclusiones térmicas).
- Las espumas metálicas pudieron ser fabricadas con las microestructuras deseadas mediante el conocido método de replicación. Para ello, se prepararon preformas porosas que consistían en compactados de un agente plantilla (cloruro de sodio) y copos de grafito o partículas de diamante convenientemente distribuidas. Mediante la infiltración por presión de gas con aluminio líquido de las preformas y posterior eliminación del agente plantilla, se obtuvieron cuatro familias de materiales que difieren en la naturaleza de la inclusión térmica, en la distribución de la misma en la fase matriz o en la interfase metal-inclusión: i) espumas de aluminio con copos de grafito orientados y distribuidos homogéneamente en la matriz, ii) materiales formados por capas alternadas de espuma de aluminio y copos de grafito orientados, iii) materiales formados por capas alternadas de espuma de aluminio y material compuesto aluminio/diamante y iv) espumas de aluminio con copos de grafito orientados, recubiertos de SiC y distribuidos homogéneamente en la matriz.
- Las espumas de aluminio que incorporan copos de grafito presentan conductividades térmicas longitudinales dentro del intervalo de 60-290 Wm-1K-1, con potencias disipadas de hasta un 325% superior a las de las espumas de aluminio convencionales fabricadas por el método de replicación. Por otro lado, las conductividades térmicas longitudinales de las espumas que incorporan partículas de diamante se situa en el intervalo de 137-435 Wm-1K-1. Estos valores pueden variarse significativamente mediante las condiciones de procesado, lo que permite un control nanodimensional de los productos de reacción en la interfase aluminio-diamante. Los resultados revelan que la interfase de baja resistencia térmica entre las capas de espuma de aluminio y material compuesto aluminio/diamante, derivada de la síntesis por infiltración en un solo paso, permite que estos materiales mejoren hasta un 130% la disipación térmica de las espumas de aluminio. De este modo, las capas de material compuesto actúan como guías térmicas que transfieren el calor a la espuma de aluminio, donde la disipación se produce por convección forzada. Así mismo, es posible modificar la interfase de espumas de aluminio que incorporan copos de grafito, mediante el recubrimiento previo de los mismos con SiC. Los valores de conductividad térmica resultantes pueden ajustarse controlando el grado de recubrimiento de los copos, obteniéndose para una interfase óptima un valor de 232 Wm-1K-1 en una disposición longitudinal y una potencia disipada de hasta un 500% superior a la de las espumas de aluminio.
- Las conductividades térmicas de las espumas de material compuesto fueron satisfactoriamente estimadas mediante diversas aproximaciones analíticas que contemplan la microestructura de cada material. Así mismo, se empleó un modelo para verificar los valores experimentales de permeabilidad en espumas que incorporan copos de grafito, mientras que la modelización computacional fue empleada para validar los resultados experimentales de potencia disipada en materiales multicomponente aluminio/diamante.
- En su conjunto, las espumas de material compuesto fabricadas presentan excelentes propiedades térmicas, fluidodinámicas y mecánicas para ser consideradas candidatas idóneas en las aplicaciones más exigentes de control térmico en la industria electrónica.
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