برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۷ تا ۱۳۹۷/۰۶/۰۲

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۴۶۳
  • بازدید این ماه ۲۲
  • بازدید امروز ۱
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

امتیاز کاربران

کاربرد خواص حرارتی نانولوله‌های کربنی در میکروالکترونیک

در جلسه‌ی 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 جلسه با یکی از چالش‏‌های موجود در صنعت میکروالکترونیک آشنا می ‏شویم و به توانایی‏‌های نانولوله‏‌های کربنی به عنوان موادی جدید در حل این معضل پی می‏ بریم.
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 می‏ کنیم. اتلاف حرارتی اساسی‌ترین مشکلی است که کارایی، قدرت و قابلیت اطمینان و متعاقبا کوچک ‏سازی قطعات میکروالکترونیک را محدود می ‏سازد. 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. می‏ توانید هنگامی را در نظر بگیرید که برای خرید نان تازه به نانوایی 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. می‏ توان 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، می ‏شود. از آنجایی که هیچ سطحی هرگز کاملا صاف نیست، حد فاصل بین دو سطح شامل اتصالات نقطه‌‏ای در قسمت ‏های بر آمده و همچنین بسته‌های هوایی (که به آن‏ها گاف هوایی می‏ گوییم) در قسمت ‏هایی 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 می ‏دانید، هوا رسانای بسیار ضعیفی برای گرماست، بنابراین باید آن را با یک ماده‌ی دیگر جایگزین کنیم.

filereader.php?p1=main_c4ca4238a0b923820
شکل 1: نمایی از فصل مشترک بین دو سطح که در تماس با یکدیگر هستند. این تصویر چند هزار برابر بزرگ‏تر از اندازه ‏های 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 است. عموما این کار شامل چهار مرحله‏‌ی زیر می ‏باشد:

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)

خود را بیازمایید:
با توجه به آن‏چه در بالا گفته شد، کندترین مرحله‏‌ی فرآیند، موجب محدود شدن سرعت فرآیند کلی می ‏گردد. بنابراین دیگر مراحل هر چقدر هم سریع پیشروی کنند، تاثیری در سرعت کلی فرآیند ندارند. آیا می ‏توانید این پدیده را توجیه کنید؟

هر یک از این چهار فرآیند، ویژگی‏ های خاص خود را دارد. از جمله این‏که سرعت پیشروی هر یک از این مراحل بسته به عوامل مختلفی تعیین می‏ شود 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 می‏ شوند. بنابراین مرحله‌‏ای که کندتر از بقیه پیش برود، در مجموع سرعت پیشروی تمام فرآیند را تحت تاثیر خود قرار خواهد داد.

خود را بیازمایید:
با توجه به مطالب ارائه شده، آیا می‏ توانید تعریف دقیقی از سطح تماس واقعی و اسمی و همچنین رابطه ‏ای ریاضی برای محاسبه‏ ی 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 می‏ گیرد. در واقع مرحله‏ محدود کننده‏ 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 آنجایی‏ که 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.

خود را بیازمایید:
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 می ‏پردازیم. 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 می ‏بینید.

filereader.php?p1=main_c81e728d9d4c2f636
شکل 2: شماتیک الف) حالت اول، ب) حالت دوم

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

جدول 1
filereader.php?p1=main_eccbc87e4b5ce2fe2

همان‏گونه که دیده می ‏شود، 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.

منابـــع و مراجــــع

مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو