Un materiale di interfaccia termica a base di nanotubi di carbonio utilizza nanotubi di carbonio allineati o dispersi per trasportare il calore attraverso lo spazio tra una sorgente di calore e un dissipatore di calore. Il suo fascino deriva quasi interamente dall'efficacia con cui un singolo nanotubo trasferisce il calore lungo la sua lunghezza. Questa proprietà è di per sé notevole: simulazioni e misurazioni su singoli nanotubi riportano conduttività assiali nell'ordine delle migliaia di W/m·K. Tuttavia, il dettaglio più importante del valore numerico principale è che questi valori si riferiscono a un singolo nanotubo isolato. Uno strato finito, costituito da molti nanotubi, ha prestazioni nettamente inferiori, perché il calore deve attraversare i contatti tra le punte dei nanotubi e le superfici di accoppiamento. Per un ingegnere di pacchi batteria o di elettronica di potenza, questa differenza tra conduttività intrinseca e prestazioni effettive è fondamentale. Spiega perché questi materiali rimangono oggi un'opzione di ricerca e specialistica, e non ancora un componente standard.
Che cos'è un materiale di interfaccia termica a nanotubi di carbonio?
Un materiale di interfaccia termica a base di nanotubi di carbonio (CNT TIM) è un sottile strato interfacciale, costituito da nanotubi di carbonio, che si interpone tra un componente e la sua superficie di raffreddamento per trasferire il calore e riempire le microscopiche intercapedini d'aria. I nanotubi sono solitamente disposti a formare una fitta foresta perpendicolare alla superficie, in modo che il calore si propaghi lungo l'asse del tubo dal lato caldo verso il lato freddo. In altri formati, i tubi vengono pressati in fogli o incorporati in una matrice polimerica o metallica anziché essere cresciuti in una struttura verticale.
Il motivo per cui il formato è importante è che il compito di un TIM è quello di garantire il contatto, non la conduzione di massa. Qualsiasi interfaccia tra due superfici solide intrappola aria nella rugosità superficiale, e l'aria è un cattivo conduttore. Il materiale dell'interfaccia deve essere sia conduttivo che sufficientemente flessibile da adattarsi sotto una moderata pressione di assemblaggio. I nanotubi di carbonio sono interessanti in questo caso perché sono flessibili lungo la loro lunghezza e possono deformarsi per assorbire le differenze di dilatazione termica tra le parti che collegano, un punto debole noto delle interfacce rigide di tipo saldato.
Poiché i nanotubi possono essere cresciuti direttamente su un substrato metallico, una matrice di CNT evita anche due modalità di guasto che affliggono nel tempo i grassi e alcuni materiali a cambiamento di fase. Il fenomeno del pump-out e della formazione di vuoti, in cui il materiale dell'interfaccia viene gradualmente espulso o lascia spazi vuoti a causa dei cicli termici, è molto meno problematico quando il percorso conduttivo è ancorato alla superficie e non scorre più tra le parti.
Perché la conduttività del singolo tubo sovrastima le reali prestazioni dello strato termoconduttivo a base di nanotubi di carbonio
È importante considerare la conduttività intrinseca e la conduttività effettiva come due grandezze separate, poiché confonderle è l'errore più comune nell'interpretazione di questo materiale. Studi di dinamica molecolare su un singolo tubo a parete singola hanno rilevato una conduttività termica assiale fino a circa 6600 W/m·K a temperatura ambiente. Le misurazioni su singoli tubi a pareti multiple hanno superato i 3000 W/m·K. Entrambi i valori si riferiscono a un singolo tubo intatto lungo la sua lunghezza, non a uno strato che si può interporre tra una cella e una piastra fredda.
La conduttività effettiva di un array di nanotubi di carbonio (CNT) assemblato risulta essere di uno o due ordini di grandezza inferiore al valore di un singolo nanotubo. I risultati riportati per gli array di CNT si aggirano tra le decine e le centinaia di W/m·K, e si tratta di valori di ricerca, non di specifiche di prodotto generali. Due effetti sono alla base di questa diminuzione. Un array cresciuto è per lo più spazio vuoto, quindi la frazione di materiale conduttivo attraverso lo strato è bassa. Ancora più importante, il calore deve passare dalle punte dei nanotubi alla superficie opposta, ed è proprio in quel punto di contatto che si concentra la maggior parte della resistenza.
La resistenza di interfaccia, non la conduttività dei nanotubi, è il parametro che un ingegnere dovrebbe monitorare. I migliori array di laboratorio hanno riportato una resistenza di interfaccia dell'ordine di 1 mm²K/W, un valore decisamente competitivo. Tali risultati dipendono da come le punte sono fissate alla superficie di accoppiamento, non dalla conduttività intrinseca dei nanotubi. Quando si legge una specifica, è importante richiedere la resistenza termica trasversale del giunto assemblato a una determinata pressione. Un valore di conduttività riportato senza tale contesto descrive il singolo nanotubo, non il prodotto nel suo complesso.
Tipologie di materiali per l'interfaccia termica a nanotubi di carbonio
I materiali per l'interfaccia termica a base di nanotubi di carbonio si presentano in diverse famiglie strutturali, e ognuna di esse pone un compromesso tra la facilità di produzione e l'efficacia nella risoluzione del problema di contatto. Conoscere il formato offerto da un fornitore fornisce maggiori informazioni sulle prestazioni reali rispetto a qualsiasi singola dichiarazione di conduttività.
Matrici di nanotubi di carbonio allineati verticalmente
Le matrici di nanotubi di carbonio allineati verticalmente (VACNT) sono fitte foreste di tubi cresciuti perpendicolarmente a un substrato, in modo che l'elevata conduttività assiale sia diretta attraverso la giunzione. L'allineamento della direzione di conduzione con la direzione del flusso di calore rappresenta il vantaggio strutturale di questo formato, ma non è sufficiente a determinare le prestazioni reali: la resistenza della giunzione dipende comunque da quanto bene le punte dei tubi entrano in contatto con la superficie opposta, dallo spessore della matrice e dalla pressione e dall'adesione all'interfaccia. Il loro punto debole è la scarsa conduttività nel piano, che disperde il calore lateralmente in modo inefficiente, limitandone l'utilità per dissipare i punti caldi concentrati.
Fogli e carte di nanotubi di carbonio
I fogli di CNT e i buckypaper sono pellicole autoportanti di tubi intrecciati o parzialmente allineati che possono essere maneggiati e posizionati come un pad convenzionale. Sono più facili da integrare rispetto a una matrice cresciuta perché non richiedono la crescita dei tubi sul componente stesso, ma l'orientamento casuale o planare rinuncia a gran parte del vantaggio trasversale che rende i nanotubi interessanti per un TIM.
Compositi e film ibridi riempiti con nanotubi di carbonio
I compositi riempiti con CNT disperdono i nanotubi in una matrice polimerica, grassa o metallica per aumentare la conduttività di un materiale di interfaccia altrimenti convenzionale. L'aggiunta di tubi con elevato rapporto d'aspetto crea percorsi di conduzione extra attraverso la matrice, quindi questi prodotti si comportano come un riempitivo di gap migliorato, con i nanotubi che rinforzano una matrice convenzionale invece di formare uno strato di nanotubi puro. I film ibridi fanno un ulteriore passo avanti abbinando i nanotubi con la grafite o un altro materiale a base di carbonio come un materiale di interfaccia termica in fibra di carbonio per combinare il trasporto attraverso il piano e nel piano. Il legame tra le due fasi di carbonio diventa quindi una fonte di resistenza a sé stante.
Matrici di nanotubi di carbonio incapsulate e intercalate
Gli array incapsulati avvolgono o saldano una foresta di nanotubi tra fogli metallici per proteggerla e fissare i contatti della punta, ed è il formato più simile al packaging elettronico standard. Uno studio sottoposto a revisione paritaria e pubblicato su Nano Research ha riportato un sandwich rame-VACNT-rame, unito mediante un metodo di saldatura in due fasi, che ha ottenuto una riduzione di temperatura di 17 °C rispetto ai TIM commerciali all'avanguardia nel test. Questo approccio affronta direttamente il problema della resistenza di contatto unendo le punte anziché affidarsi al contatto a pressione a secco.
Quali sono i limiti delle prestazioni reali dei sistemi di interfaccia termica a nanotubi di carbonio (CNT TIM)?
La produzione e l'integrazione, non la fisica dei tubi, definiscono i veri limiti dei materiali per l'interfaccia termica dei nanotubi di carbonio. Quattro vincoli determinano se un determinato prodotto è utilizzabile, e ognuno di essi corrisponde a una variabile che è possibile verificare prima di progettarlo.
La resistenza di contatto alle estremità dei tubi è il fattore limitante dominante ed è la variabile da verificare per prima. Poiché un array a secco tocca la superficie opposta in punti sparsi, la resistenza attraverso il piano è determinata dalla qualità di tale contatto molto più che dalla conduttività dei tubi. Il collegamento delle estremità, tramite saldatura, metallizzazione o funzionalizzazione chimica dell'interfaccia, è ciò che trasforma un array promettente in una giunzione competitiva, quindi qualsiasi dichiarazione sulle prestazioni dovrebbe specificare come vengono fissate le estremità.
Far crescere tubi lunghi e densi su un substrato metallico reale è difficile, il che limita lo spessore raggiungibile. Il catalizzatore necessario per la crescita tende a diffondersi nella superficie metallica alla temperatura di crescita e a interrompere il processo prematuramente, quindi gli array sono spesso più corti di quanto un progettista desidererebbe per riempire uno spazio ampio o irregolare. Quando lo spazio tra le parti è ampio o la planarità è scarsa, un array corto potrebbe non aderire a sufficienza per garantire un contatto completo.
La compatibilità del processo con il packaging standard rappresenta un terzo vincolo. L'ambiente ad alta temperatura utilizzato per la crescita di array allineati verticalmente è ostile e non si integra facilmente in un normale flusso di assemblaggio di dispositivi, motivo per cui i formati incapsulati e pre-incollati hanno attirato l'attenzione. Se un materiale deve essere cresciuto direttamente sul componente, questo requisito da solo può escluderlo.
La conduttività direzionale è il quarto elemento da valutare nella mappa termica. Una disposizione allineata verticalmente è eccellente attraverso la giunzione, ma debole sul piano, quindi trasferisce il calore direttamente attraverso l'interfaccia ma fa poco per diffondere un punto caldo localizzato. Per un progetto che necessita di una diffusione laterale del calore, una diversa strategia di interfaccia o una struttura ibrida potrebbero essere più adatte.
Dove si inseriscono i materiali di interfaccia termica a nanotubi di carbonio nella progettazione termica delle batterie
Esiste una piccola base commerciale per questi materiali, ma è ancora specializzata, quindi è bene considerarli come un'opzione emergente e non come un sostituto diretto dei materiali di interfaccia consolidati. Alcuni fornitori li offrono. Carbice, con sede ad Atlanta, vende pad termici in nanotubi di carbonio allineati destinati all'elettronica e all'aerospaziale. SHINKO ha annunciato lo sviluppo di un TIM in CNT, con dimensioni dei fogli fino a 50 x 50 mm e spessori da circa 0,1 a 0,15 mm. Ciò che determina se una tecnologia è adatta a una determinata realizzazione è la disponibilità in quelle dimensioni e formati, non un valore di conduttività registrato in laboratorio.
Per un veicolo elettrico o un pacco di accumulo di energia, tre domande determinano se un TIM a base di CNT può essere utilizzato: lo spazio e la planarità della cella o del modulo, lo stress di assemblaggio e il ciclo termico a cui l'interfaccia deve resistere e se si adatta a una fase di erogazione o posizionamento automatizzata a volume di produzione. Queste sono le stesse variabili che governano qualsiasi scelta di interfaccia nel percorso cella-refrigerante. I materiali CNT a matrice cresciuta sono difficili da conciliare con queste realtà a livello di pacco oggi. I pad di intercapedine, i gel e i grassi consolidati si adattano più facilmente al flusso di assemblaggio esistente, il che li mantiene la scelta praticabile per il interfacce termiche ad alte prestazioni che trasferiscono il calore dalle cellule a una piastra fredda.
Un fornitore come Trumonytechs opera in quest'ottica pratica, abbinando un TIM (materiale di interfaccia termica) allo spazio, al comportamento di polimerizzazione, allo stato di isolamento e alle esigenze di incollaggio di uno specifico pacco di transistor. Un singolo valore nominale raramente riesce a cogliere tutte queste variabili. I materiali a base di nanotubi di carbonio meritano comunque attenzione nei casi in cui la loro resistenza e flessibilità trasversale risolvono un problema che i materiali tradizionali non sono in grado di affrontare, in particolare nell'elettronica di potenza ad alta densità. Anche in questi casi, la logica di selezione non cambia: verificare la resistenza del giunto assemblato, il formato e la fase di integrazione prima di considerare il valore a livello di singolo tubo.
Conclusione
Il punto fondamentale da ricordare è che un TIM a base di nanotubi di carbonio (CNT) acquisisce il suo valore nella giunzione assemblata, non nella conduttività del singolo nanotubo, e interpretarlo in modo errato è l'errore più comune. La conduttività intrinseca, nell'ordine delle migliaia di W/m·K, è reale. La resistenza di interfaccia effettiva, tuttavia, dipende da come le punte dei nanotubi sono incollate alla superficie di accoppiamento, da quanto spesso e conformabile può essere realizzato l'array e se il formato resiste a un normale processo di assemblaggio. Valutando qualsiasi candidato in base alla sua resistenza trasversale a una determinata pressione e al modo in cui è integrato, la tecnologia si colloca nella ristretta gamma di applicazioni in cui attualmente trova applicazione. Per un pacco batterie, ciò significa verificare lo spazio, la planarità, le sollecitazioni di assemblaggio e il metodo di produzione rispetto a un vero strato di interfaccia prima ancora di prendere in considerazione la conduttività dei nanotubi.
FAQ
Qual è la conduttività termica dei nanotubi di carbonio?
Un singolo nanotubo di carbonio è straordinariamente conduttivo lungo la sua lunghezza, ma un materiale di interfaccia finito non lo è. Le simulazioni indicano che un nanotubo a parete singola può raggiungere una conduttività di circa 6600 W/m·K a temperatura ambiente, e per singoli nanotubi a pareti multiple sono stati misurati valori superiori a 3000 W/m·K. Una volta che i tubi vengono assemblati in un array di materiali di interfaccia termica (TIM), la conduttività effettiva si riduce di uno o due ordini di grandezza rispetto ai valori del singolo tubo, quindi lo strato finito non si comporta affatto come un singolo tubo.
Perché i materiali per interfacce termiche a base di nanotubi di carbonio non raggiungono la loro conduttività teorica?
La resistenza di contatto alle estremità dei nanotubi è la ragione principale per cui un materiale di interfaccia termica a base di nanotubi di carbonio (CNT TIM) non raggiunge le prestazioni di un singolo nanotubo. Il calore deve propagarsi dalle estremità dei nanotubi alla superficie opposta e, in una matrice asciutta, i contatti avvengono in punti sparsi. Sono proprio questi contatti sparsi, più che i nanotubi stessi, a determinare la resistenza di giunzione. La saldatura, la metallizzazione o la funzionalizzazione dell'interfaccia, che permette di unire le estremità dei nanotubi, colma gran parte di questo divario.
Una matrice di nanotubi di carbonio allineati verticalmente è migliore di un tampone di grafite?
La direzione del calore da trasferire è fondamentale. Una matrice di nanotubi di carbonio allineati verticalmente fa passare il suo asse conduttivo attraverso la giunzione, il che si presta al trasporto trasversale, sebbene il risultato finale dipenda comunque dal contatto della punta, dallo spessore e dalla pressione. La sua conduttività nel piano è scarsa, quindi diffonde i punti caldi laterali in modo disordinato. Un foglio di grafite è l'opposto: forte conduttività nel piano e più debole perpendicolarmente ad esso, quindi la mappa termica dovrebbe determinare il formato migliore.
È possibile integrare materiali per l'interfaccia termica a base di nanotubi di carbonio negli imballaggi elettronici standard?
L'integrazione dipende da due fattori: se il materiale si presenta in forma pre-incapsulata o pre-incollata e se la sua fase di crescita è separata dall'assemblaggio del dispositivo. Un array di nanotubi cresciuto richiede un processo ad alta temperatura che non si adatta facilmente a un normale flusso di confezionamento, motivo per cui i formati incapsulati, ovvero foreste di nanotubi fissate tra fogli metallici, sono quelli più vicini al confezionamento standard. Quando i nanotubi devono essere cresciuti direttamente sul componente, questo requisito da solo può escludere il materiale da una linea di assemblaggio convenzionale.
È possibile utilizzare materiali con interfaccia termica a base di nanotubi di carbonio nei pacchi batteria dei veicoli elettrici?
I materiali di interfaccia termica (TIM) a base di nanotubi di carbonio non sono ancora una scelta di routine per i pacchi batteria dei veicoli elettrici, e il limite è più legato all'integrazione che alle prestazioni. L'interfaccia del pacco deve adattarsi allo spazio e alla planarità della cella o del modulo, resistere alle sollecitazioni di assemblaggio e ai cicli termici e integrarsi in una fase di produzione automatizzata. I formati a matrice cresciuta sono difficili da conciliare con questi vincoli allo stato attuale, quindi i tradizionali pad, gel e grassi rimangono la soluzione pratica per i percorsi tra cella e liquido di raffreddamento, mentre i materiali a base di nanotubi si sono dimostrati efficaci in casi specifici ad alto flusso.
Per approfondire
- Array di nanotubi di carbonio incapsulati come materiale di interfaccia termica compatibile con gli imballaggi elettronici standard (Nano Research, 2023) — Studio sottoposto a revisione paritaria. Supporta l'idea che l'incollaggio e l'incapsulamento dell'array riducano la resistenza di contatto e possano superare i materiali di interfaccia termica commerciali nelle prestazioni di interfaccia attraverso il piano, secondo i test effettuati.
- Brevetto per materiale di interfaccia termica a base di nanotubi di carbonio, pubblicazione US20200404809A1 (successivamente concesso come US11291139B2), tramite Google Patents — Una divulgazione di brevetto primaria da parte di uno sviluppatore di CNT-TIM. Documenta i metodi di costruzione di array e multistrato e l'enfasi sul contatto della punta e sulla resistenza dell'interfaccia; da leggere come un deposito del richiedente stesso, non come un test indipendente.
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