Novel metal matrix composites copper reinforced by carbon nanofibers for thermal management of high power electronics

Resumo

El presente trabajo de investigación ha estado dirigido hacia el desarrollo de composites de matriz metálica avanzados, para su uso en la disipación térmica de electrónica de alta potencia. El material compuesto está basado en una matriz de cobre reforzada con nanofibras de carbono (VGCNF), aunque también se realizado una comparativa con nanotubos de carbono (CNTs). Para obtener una material compuesto de altas prestaciones existen tres requerimientos principales que han de cumplirse: buena distribución del refuerzo en la matriz, alta densificación (baja porosidad) y promover una intercara matriz/ refuerzo adecuada. Los nanotubos y las nanofibras de carbono son comúnmente suministradas con un alto grado de aglomeración, bien debido al proceso de fabricación, a su alta relación de aspecto (L/d) o a las fuerzas de atracción de van der Waals existentes. Por lo tanto el primer paso es llevar a cabo un tratamiento de desaglomeración para obtener un material capaz de ser dispersado en soluciones líquidas. Ésto se ha realizado mediante tratamientos de grafitización, funcionalización en ácidos fuertes y el empleo de ultrasonidos. Se ha estudiado la incorporación de diferentes tipos de nanofibras procedentes de varios fabricantes y así seleccionar el refuerzo más adecuado. Tras el estudio de diversas técnicas de fabricación (pulvimetalurgia, infiltración por gras a presión, sinterizado, prensado en caliente,...) se ha demostrado que la técnica más adecuada es el revestimiento de las nanofibras con cobre por la técnica electroless plating y su posterior consolidación uniaxial en caliente. De esta manera se ha permitido incorporar homogéneamente contenidos de refuerzo de hasta el 40 % en volumen de nanofibras. Asimismo dada la pobre interacción existente entre el cobre y el carbono se ha procedido a la modificación de la intercara matriz/refuerzo mediante la incorporación de elementos aleantes . Se han medido las propiedades termofísicas (difusividad y conductividad térmica, coeficiente de expansión térmico) en los diferentes tipos de nanofibras, a varios porcentajes de refuerzo y con diferentes tipos de intercaras. Se ha empleado el calculo inverso a través de diferentes técnicas analíticas (regla de las mezclas y modelo de Eshelby) para el computo de propiedades que no se pueden medir directamente en las nanofibras (calor específico, conductividad térmica,...). Se han medido algunas propiedades mecánicas para evaluar el uso alternativo del material en aplicaciones tribológicas. Asimismo, se han fabricado varios prototipos para ser implementados y testeados en componentes industriales reales. Por último, sea escalado la ruta de fabricación mediante el diseño y construcción de una planta piloto en donde se ha demostrado la viabilidad de fabricación a escala industrial