Термомеханика дисперсно-наполненных композитов и компьютерный дизайн материалов с рекордно высокой теплопроводностью

Abstract

На примере металл-алмазных композитов сформулирован и решен ряд задач термомеханики дисперсно-наполненных материалов с высокой теплопроводностью, используемых для термоуправления. В связи с важностью фактора теплопроводности межфазного слоя предложен уточненный метод расчета граничного термического сопротивления. В рамках данного способа рассматриваются два встречных тепловых потока - от матрицы к наполнителю и обратно, а также обеспечивается условие равенства нулю термического сопротивления при одинаковых значениях термомеханических характеристик указанных компонент. На основе микромеханической модели дисперсно-наполненного композита разработан аналитический метод определения эффективного коэффициента теплопроводности металл-алмазных композитов. Метод позволяет учесть граничное термическое сопротивление, наличие на алмазной частице тонкого покрытия, анизометрию алмазных частиц и пористость металлической матрицы. Результаты выполненного параметрического анализа сопоставлены с известными экспериментальными данными и оценками, полученными в рамках существующих моделей. Сделан вывод о правомерности использования разработанного метода. Разработана упрощенная конечно-элементная модель представительного объема металл-алмазных композитов в виде куба, образованного алюминиевой матрицей и содержащего 27 упорядоченно расположенных сферических алмазных частиц одинакового радиуса с модифицирующим вольфрамовым покрытием. При заданной разности температур на противоположных гранях куба вычисляется распределение плотности теплового потока и эффективный коэффициент теплопроводности металл-алмазных композитов. Сопоставление результатов использования конечно-элементной модели и упомянутого выше аналитического метода свидетельствует об их хорошем соответствии. Осуществлена модификация конечно-элементной модели с целью наиболее полного соответствия реальной внутренней структуре металл-алмазных композитов, изученной при помощи рентгеновской микротомографии высокого разрешения. Выполнен численный анализ температурного поля, термонапряженного состояния и кинетики разрушения алюминиево-алмазного композита при термоциклировании.

On the example of metal-diamond composites (MDC), a number of issues of thermomechanics of disperse-filled materials with high thermal conductivity used for thermal management are formulated and solved. Due to the importance of the thermal conductivity factor of the interfacial layer, a refined method is proposed for calculating the boundary thermal resistance. This method considers two counter heat flows: from the matrix to the filler and back, and also provides the condition of zero thermal resistance at the same values of the thermomechanical characteristics of these components. Based on the micromechanical model of the disperse-filled composite, an analytical method is developed for determining the effective thermal conductivity coefficient of the metal-diamond composites. The method makes it possible to take into account the boundary thermal resistance, the presence of a thin coating on the diamond particle, the anisometry of diamond particles and the porosity of the metal matrix. The results of the performed parametric analysis are compared with known experimental data and estimates obtained within the framework of existing models. The conclusion on the validity of the developed method is made. A simplified finite-element model is developed for a representative volume of the metal-diamond composites in the form of a cube formed by an aluminum matrix and containing 27 spherical diamond particles of the same radius with a modifying tungsten coating. At a given temperature difference on the opposite faces of the cube, the distribution of heat flux density and the effective heat transfer coefficient of the metal-diamond composites are calculated. Comparison of the results of using the finite element model and the analytical method mentioned above shows their good agreement. Modification of the finite element model is carried out in order to better match the real internal structure of the metal-diamond composites studied by high-resolution X-ray microtomography. Numerical analysis of the temperature field, thermal stress state and fracture kinetics of the aluminum-diamond composite during thermal cycling is performed.