Numerical calculation of the thermal conductivity coefficient in diamond-copper composite

• Autorzy: Boguszewski T. , Ciupiński Ł. , Kurzydłowski K. J.

Warianty tytułu

PL

Obliczenia przewodności cieplnej kompozytu Cu-diament

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Metal-ceramic composites are becoming widely used in electronic and power generation industries. Applications of these composites are driven by their mechanical and physical property combined with economic price. One of the key properties in this context is their capacity for heat transfer. Diamond-copper composite was chosen for calculation because of very high coefficient of thermal conductivity and small decrease of mechanical properties under high temperature. Analytical results give solution of the thermal conductivity for case with only one particle in composite. Numerical analysis was appropriate to have results for more complex cases. Three model of representative unit volume with one isotropic particle was prepared to calculate cases with standard and high density of the particles. One model with real distribution of particles, which was generated by Micrometer program was used to compare results. In this work analysis of structure and features of phases composite was considered in order to study heat transfer phenomena. Models of three phases composite matrix, filler and interface with discontinuities were analysed. Distance between particles was also considered. Additionally, influence of the increased ambient temperature on thermal conductivity was presented. Analysis of the results indicate to volume fraction of the diamond phase, volume fraction of the discontinuity in interface layer and distance between diamond particles as the most important variable for conductivity. Obtained results for high thermal conductivity composites processing could be used to determine optimal phases characteristic and distance between particles.

PL

Kompozyty metal-ceramika są coraz szerzej stosowanym materiałem w przemyśle elektronicznym i energetycznym. Ich popularność wynika z możliwości uzyskania unikatowych cech łączących właściwości mechaniczne i fizyczne przy zachowaniu akceptowalnej ceny. W pracy skupiono uwagę na właściwościach termicznych kompozytu, a szczególnie materiałów o wysokich wartościach przewodnictwa cieplnego. Do obliczeń modelowych wybrano kompozyt miedź-diament charakteryzujący się wysokim współczynnikiem przewodzenia ciepła, którego właściwości mechaniczne nie ulegają znaczącej degradacji w wysokich temperaturach. Dostępne rozwiązania analityczne pozwalają na wyznaczenie współczynnika przewodzenia ciepła kompozytu dla przypadku z pojedynczą cząstką, w którym nie dochodzi do oddziaływania między cząstkami. Do wyznaczenia przewodności cieplnej w bardziej złożonych przypadkach użyteczna jest analiza numeryczna, którą posłużono się w niniejszej pracy. Zastosowano metodę elementów skończonych, wykorzystując komercyjny pakiet Ansys. Do obliczeń użyto modelu komórki elementarnej z cząstką izotropową. Zastosowano dwa modele o różnym stopniu gęstości ułożenia cząstek oraz jeden model ze strukturą wygenerowaną w programie Micrometer o parametrach struktury odpowiadającej rzeczywistym kompozytom. Kluczowym parametrem w tego typu kompozytach jest dobór odpowiedniego udziału objętościowego poszczególnych faz. W pracy przedstawiono analizę wpływu struktury, właściwości poszczególnych faz oraz odległości między cząstkami na przewodność cieplną kompozytu przy uwzględnieniu właściwości fazy pośredniej oraz wpływ nieciągłości połączenia cząstka-osnowa. Dodatkowo przedstawiono wyniki analizy wpływu podwyższonej temperatury otoczenia na przewodność kompozytu. Otrzymane wyniki mogą posłużyć do optymalnego doboru składników i struktury, co pozwoli uzyskać założone wymagane właściwości kompozytu.

Słowa kluczowe

EN

geopolymers; composite; adhesion

PL

kompozyt izotropowy; metoda elementów skończonych; przewodność cieplna

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2008
• Tom: R. 8, nr 3
• Strony: 232--235
• Opis fizyczny: Bibliogr. 8 poz., wykr.

Twórcy

autor

Boguszewski T.

autor

Ciupiński Ł.

autor

Kurzydłowski K. J.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul. Wołoska 141, 02-501 Warszawa,

Bibliografia

• [1] Hasselman D.P.H., Lloyd F. Johnson, Effective thermal conductivity of composites with interfacial thermal barrier resistance, Journal of Composite Materials 1987, 21, 508.
• [2] Gray K.J., Effective thermal conductivity of a diamond coated heat spreader, Diamond and Related Materials 2000, 9, 201-204.
• [3] Gogół W., Furmański P., Some investigations of effective thermal conductivity of undirectional fiber-reinforced composites, Joumal of Composite Materials Supplement 1980, 14, 167.
• [4] Jaworska L, Diament - otrzymywanie i zastosowanie w obróbce skrawaniem, WNT, Warszawa 2007.
• [5] Wiśniewski S., Wiśniewski T., Wymiana ciepła, WNT, Warszawa 2000.
• [6] Boczkowska A., Kapuściński J., Lindemann Z., Witemberg-Perzyk D., Wojciechowski S., Kompozyty, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003.
• [7] Wikipedia: http://pl.wikipedia.org/wiki/Mied%C5%BA.
• [8] Katsuhito Yoshida, Hideaki Morigami, Thermal properties of diamond/copper composite material, Microelectronics Reliability 2004, 44, 303-308.