Investigation of thermal conduction in microcontacts created by indentation
Girinti ile oluşturulmuş mikro ölçekli temaslarda ısıl iletimin incelenmesi
- Tez No: 730303
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ÖZGÜR ÖZER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 159
Özet
Thermal contact conduction has been investigated on different scales for many practical and scientific motivations in the literature. Demands for engineering the interfaces are increasing for accurately managing the contact mechanics and heat transfer with miniaturization of the electronics devices. In this study, microcontacts, that are created by indentation, have been investigated with experimental, simulation, and analytical works. The spreading resistance perspective of the disc constriction case has been extended for the studied highly plastic microcontacts of indentation. Creating the microcontacts and investigating the conductance through them had been realized by indentation of metallic surfaces by specially prepared diamond micro-particles/indenters. Thermal measurements had been realized by mounting thin thermocouples on diamond tips. The experimental setup is home-built with commercial piezo, motor, DAQ utilities, and other miscellaneous devices. PC User Interface and Intercessor Microcontroller Unit had been programmed to properly manage to conduct experiments. Furthermore, to measure the resistance, we employed an oscillatory experimental procedure and lumped analysis of transient heat transfer. The application of oscillations at different indentation depths has enabled us to extract the RC behavior of the microcontacts created by high plastic deformation. Therefore, the time constant of the contacts can be obtained. Additionally, we could find an effective measure of the thermal diffusivity of the contact through the diamond tip by fitting the change of time constant to depth with the proposed modified constriction models. Moreover, to analyze and predict the change of the time constant with respect to depth and load, several simulations and calculation work had been pursued. The increase in the contact area by indenter penetration into the sample has been concerned to be suppressed by gradient occurrence along the tip-sample contact. Moreover, with help of the simulations, we deduced the effect of plasticity such as pile-up on the improvement of the indentation contact for the heat transfer can be effective. Consequently, for the first time, we conducted the periodic contact procedure for the thermal contact of single micro asperity of indentation. The periodic experimental procedure and fin efficiency application to spreading cases for single microcontact are unique parts of this work. Results with the diamond tip on three different metallic samples showed that the gradient occurrence along the indentation contact can be analyzed with the fin solutions of the literature. Experimental results were fitted properly to a unified function of conic fin and spreading resistance functions. In addition, parameters of the fits can be deduced for the conductivity and interface conductance. However, state of the results are not sufficient to exactly determine the contact and material parameters due to need for exact parameters for transient analysis and, uncertainties in the properties of the tip and samples. With help of more precise thermal measurements and indenter systems, this experimental procedure may provide further advances and ease in the investigation of the thermal contacts of many different materials and scales. In addition, for the solid-state thermal interface materials solutions, we deduce that investigation of the geometry optimization for pressure and heat transfer as indicated in this thesis would provide insights into the bottlenecks of the contact heat transfer. Specifically, the gradient occurrence and its effectivity on the overall contact heat transfer should be taken into account for the indentation contacts while improving the contact by plasticity.
Özet (Çeviri)
Isıl temas direnci, farklı sıcaklıkta tutulan iki cisimin birbirine dokundurulmasıyla ara-yüzeyde meydana gelen ani sıcaklık düşüşünün geçen ısı miktarına oranı olarak tanımlanır. Büyük ölçekli temastaki ısıl direnç, mikro ölçekte katıların birbirine gerçekten temas edememesinden kaynaklanır. Çünkü yüzeyler mikro ölçekte pürüzlüdür, ve genellikle temas eden yüzeylerdeki çıkıntılar bütün yüzeye oranla sadece %1'lik bir gerçek temas yüzeyi oluştururlar. Yani, büyük ölçekte temas eden cisimlerin görünür temas yüzeyi genellikle boşluklardan oluşurken gerçek temas noktaları ise ısıl daraltma/yayılma direncine maruz kalır. Bunun yanında, ısıl sınır direnci olarak isimlendirilen gerçek ara-yüzey (atomik ölçekli) temas direnci ise temas eden katılardaki enerji taşıyıcıların farklılığından meydana gelir ve daralma direncine göre genellikle 3-5 mertebe daha küçüktür. Dolayısıyla, büyük ölçekte genellikle daralma direncini oluşturan yüzey girintileri ve bu girintilerin mekanik bozunum ile değişimleri incelenir. Isıl daralma ya da yayılım direnci, farklı sıcaklıkta tutulan katılar üzerinde bir boyutlu gerçekleşen ısıl iletimin, temas yüzeyindeki girintiler üzerinden aktarımı sırasında, girintiden, girintiye nispetle sonsuz yarı ortam gibi görülebilecek katı malzemeye geçişi sırasında aniden iki boyutlu ısı iletimine dönüşmesi sonucu ortaya çıkar. Çeşitli geometri ve sınır koşulları için çözümleri olmakla birlikte temas direnci açısından, geometrik benzerliği nedeniyle, genellikle yarı-sonsuz yüzey üzerinde sonlu bir dairesel alanda sabit sıcaklık ya da ısıl akım tutulan çözüm kullanılmaktadır. Literatürde büyük ölçekteki ısıl temasların yukarıda belirtilen bakış açısı ile yapılagelmiş birçok araştırması mevcuttur. Fakat, bilhassa mikro elektronik cihazlarda birim alana düşen işlemci sayısındaki artış ile günümüzde mikro ve nano ölçekte ısıl iletimin incelenmesi elzem olmuştur. Zira birim alanda işlemci sayısının artışı uygun soğutma düzeneği olmaksızın atıl kalacaktır. İşlemci soğutmada geleneksel yöntem, yonga ile soğutucu metal ara-yüzeyinde termal macun kullanımı ile temasın geliştirilmesi ve yüzey kusurları dolayısıyla oluşan boşlukların doldurulmasıdır. Ancak, termal macunlar hem artan ısıl iletim ihtiyacında hem de bazı sıra dışı kullanım alanlarında (uzay teknolojileri gibi) yetersiz kalmaya başlamıştır. Nitekim macun teknolojisi yerine yeni nesil katı hal arayüzey malzemeleri araştırmaları günümüzde hız kazanmıştır. Katı cisimlerin arasında iyi iletken mikro parçacıkların (elmas vb.) yerleştirilmesi ya da yüzeylerin bilinçli olarak istenilen girintiler ile düzenlenmesi gibi yöntemler `kuru temas' veya `tak-çıkar' temaslar için geliştirilmektedir. Dolayısıyla bu çalışmamızla, bahsedilen bilimsel ve teknik motivasyonlarla tek bir mikro ölçekli girintinin üzerinde olduğu yüzeyi bozarak içine girmesi durumunun ısıl temas iletimine katkısı araştırılmıştır. Literatürde metal-metal temaslarının incelenmesi genellikle yüzey çıkıntılarının ezilerek yayılması durumuna odaklanmıştır. Fakat, biz bu çalışmamızla, tek bir elmas çıkıntının metal yüzeyde girinti oluşturmasının sonuçlarını incelemeye odaklandık. Aslında her iki yaklaşım da görünür temas alanındaki boşlukları kapatmak için, yüzey girintilerinin kuvvet uygulanarak daha çok alana temas etmesini inceler. Ancak, girinti derinliği artırılarak temas alanını arttırmak temas derinliği boyunca bir ısıl meyile sebep olabilir. Bu ısıl meyil, ısı geçişi çalışmalarında daha çok kanat etkenliği bağlamında çalışılmıştır, ve biz de uç geometrimiz için uygun olan etkenlik fonksiyonunu bu çalışmalardan ödünç aldık. Öte yandan, yüksek derecede kalıcı mekanik bozulmaya neden olan, girinti oluşturarak alan artırmanın ısıl temas iletimi açısından yararlı olacağı durumlar da vardır. Mesela, girinti boyunca oluşan taze yüzey boyunca sıkı-uyumlu mekanik temas elde edilir. Ayrıca, kalıcı bozunum dolayısıyla, girinti yapılan malzemedeki sıkışmalar, yüzeyden içeri göçmeye ya da yüzey dışına yığılmaya sebep olabilir. Yüzey dışına yığılma durumunda, girinti derinliğine ek bir temas alanı elde edilmiş olur. Yığılmanın yüzey dışında oluşmasının ısıl meyilden dolayı oluşabilecek iletim etkenliğinin düşüşünü de azaltabileceğini öngörüyoruz. Velhasıl, bu araştırma ile tek bir mikro uzantının temas ettiği cisimde oluşturduğu esnek ve kalıcı hasarın ısıl iletimi nasıl değiştirdiği incelenmiştir. Bahsedilen incelemenin deneysel olarak gerçekleştirilebilmesi için bir Girinti Cihazı (Indenter) inşa edilmiştir. Cihazımızın kullandığı hazır alınmış piezo, motorlar ve veri toplama birimini diğer birtakım sensör ve araçla beraber uyum içinde kullanabilmek için, mekanik tasarım ve yapıma ek olarak, gerek kullanıcı arayüz programlaması gerek aracı mikroişlemci programlaması uygun elektronik kart tasarımı ile beraber Laboratuvarımızda yapılmıştır. Dolayısıyla, çeşitli deney usul ve yöntemleri temas iletimini farklı derinliklerde girinti oluştururken inceleyebilmek için düzenlenebilmiştir. \par Başlıca uygulanan deney usulü geçici rejimde temas zaman sabitini ve dolayısıyla temas direncini çıkarabilmek için girinti oluştuktan sonra girinti yönünde kare dalga şeklinde salınımlar uygulamaktan ibarettir. Bahsedilen kare salınımlar marifetiyle, devinim halinde ani temas kurulumu ve temasın bozulması (uç ile örneğin ayrılması) süreçleri eş süreli olarak gerçekleşir. Dolayısıyla, belirli bir süre boyunca değişmeyen temas alanı ve onu takip eden belirli mesafede temassızlık süreçleri elmas uca yapıştırdığımız termokupl tarafından sıcaklık değişimi olarak ölçülür. Deneylerimizde genel olarak sıcak bir örnek ve görece soğuk bir uç kullandığımız göz önünde bulundurulursa; temas sürecinde ısınma ve ayrılık sürecinde soğuma zaman sabitlerini sıcaklık ölçümünü üstel doyum fonksiyonuna uydurarak buluruz. Üstel doyum fonksiyonunu kullanabilmek için, geçici rejimde toplam kütle yaklaşımı uç-örnek ısıl temas iletiminin yüzeyden taşınıma benzetilmesi suretiyle uyarlanmıştır. Toplam kütle yaklaşımının geçerliliği ise yüzeyden olan ısı iletiminin ucun içinde gerçekleşenden en az bir mertebe daha küçük olduğu denetlenerek belirlenmiştir (Biot yasası). Yani, ucun içinde sıcaklık değişiminin aniden topluca olduğu ve uç içerisinde bir ısıl meyil gerçekleşmediğini varsayıyoruz. \par Deney sonuçları, uyguladığımız deney usullerinin temas iletiminin temas derinliği ile değişimini ortaya çıkarmaya yetkin olduğunu göstermiştir. Deneylerimizi çeşitli derinliklerde çok sayıda salınımlar uygulayarak yapmamızın asıl nedeni, termokupl ölçümünün temas eden mikro parçacığın sıcaklık farkını ölçmede yeterli çözünürlük verememesidir. Literatürde daha önce de büyük ölçekte uygulanmış olan periyodik temas deney analizlerine dayanarak, ucun sıcaklığının yarı-kararlı rejimde olduğunu varsayarız. Dolayısıyla, her bir temas derinliğinde uyguladığımız birçok kare dalga salınımı periyodik ortalama alarak tek bir düşük belirsizlikli üstel doyum ve yokolum verisine dönüştürmüş oluruz. Ortalama almanın yararlı etkisi yanında, temasımızın ilk süreçlerinin henüz yarı-sabit rejime gelememesi beklenebilir, fakat başlangıçtaki geçici rejim toplam salınım süresine nispetle önemsiz kalır. Yine de, daha yüksek çözünürlüklü sıcaklık ölçüm aygıtlarıyla her bir temas ve ayrılık devinimi ayrı ayrı incelenebilseydi araştırmamızı periyodik temas direnci ve kuvvet deviniminin temasa etkisi gibi alanlara genişletebilirdik. \par Sonuç olarak, anlatılan deney usulleri ve veri analiz yöntemleri ile kesik koni şeklinde bir elmas uç ile Aluminyum (Al), Altın (Au) ve Bakır (Cu) örnekler üzerinde derinliğe bağlı zaman sabitleri elde ettik. Elde ettiğimiz zaman sabitlerinin yukarıda açıkladığımız temas direnci modellerine uyumluluğunu da test ettik. İlk olarak, kullandığımız toplam kütle yaklaşımının genel kullanımı sabit bir iletim katsayısı ve alana bağlı olduğundan, alan ile lineer bağlı bir ısıl temas iletimi denenmiştir. Veriyi temas alanına uydurduğumuzda, uyum katsayısı olarak ısıl kütle ve temas direncinin çarpım sonucunu elde ederiz. Fakat beklediğimiz gibi, alana bağlı uydurma ölçülen temas zaman sabitlerinin derinlik davranışını doğru vermede yetersiz kalmıştır. Çünkü bahsettiğimiz daralma direnci ve ısıl meyil baskısı, termal iletim katsayısının derinlikle değiştiğini göstermektedir. Ayrıca, alanla uydurulan sabit yüzey iletkenliği sonuçları, elmas uç için genel temas alanının toplam alan oranına \%1 iken E+4 mertebesinde ortalama iletim katsayısı değerlerini ortaya çıkardı. Bu sonuçların literatür değerleri ile uyumlu olduğu görülmektedir. \par Ardından, yüzey üstündeki daralma direnci tip boyunca uygulanarak daha uygun fonksiyonlar türetilmiştir. Öcelikle ısıl meyil baskısının olmadığı durum verilere uydurulmaya çalışılarak etkin ısıl temas yayılım katsayısı ortaya çıkarılmıştır. Isıl yayılım katsayısı bulabilmemiz, zamana bağlı deney sonuçlarını yorumlamak için de uygun olmuştur. Ucun kesik koni olması nedeniyle, zaman sabiti verileri konik ve silindirik etkenlik fonksiyonları ile değişime uğratılmış daralma direnci modeline de uydurulmaya çalışılmıştır. Özellikle, konik etkenlik fonksiyonunun uyum sabitlerinden geri türettiğimiz ısıl iletim sabitleri elmas ve metallerin harmonik ortalama değerlerine yakınlığı ile dikkat çekmiştir. Bunun yanında, etkenlik fonksiyonunun uyum katsayıları ise dolaylı olarak arayüzeydeki gerçek -atomik ölçekli- iletime dair fikir vermiştir. Arayüzey için bulunan katsayılar mertebe olarak literatür verileriyle uyumlu çıkmıştır. Sonuçlar, silindirik ve konik verimlilik fonksiyonları için sırasıyla E+8'den E+13'e kadar kullanılan uyum fonksiyonuna göre değişen çok yüksek iletkenlik değerleri göstermektedir. Bu sonuçlar da en azından mertebe olarak hem hesaplama hem de literatürdeki deneysel çalışmalarla örtüşmektedir. \par Zaman sabiti sonuçları ve yukarıda bahsedilen fonksiyonlara uydurulması, Al, Cu ve Au olarak en düşükten en yükseğe doğru temas iletkenlik sıralaması vermiştir. Bununla birlikte, yüksek plastik girintili kontaklarda, sadece daralmanın harmonik iletkenlik resmini dikkate almak yeterli değildir. Özellikle bakırın altından yaklaşık iki kat daha yüksek sertliği olması dolayısıyla altın-elmas temasının daha uyumlu olduğunu, ve bu nedenle altınla yapılan deneyler için daha düşük zaman sabiti değerleri elde edildiğini öneriyoruz. \par Deneysel incelemelerimize ek olarak, bir ucun ezilerek yüzeye genişlemesiyle katının içinde oyuk oluşturmasının ısıl iletkenlik açısından farklarını kavrayabilmek için birtakım analitik hesaplar ve sonlu elemanlar analizleri (ABAQUS programı ile) de yapılmıştır. \par Hesaplama ve simülasyon sonuçları, gradyanın meydana geldiğini ve yüksek arayüz iletkenliğine sahip girintili mikro ölçekli bağlantılar için etkili olduğunu göstermiştir. Buna bağlı olarak, girintinin termal kontaklarına verimlilik fonksiyonunun dahil edilmesinin doğru bir yaklaşım olduğunu ve zaman sabitlerinin deneysel sonuçlarının uyumlandırıldığı model fonksiyonların simülasyon ve analitik hesaplama desteklerine sahip olduğunu vurguladık. \par Kontaklar için bahsedilen etkinlik resminin oluşturulmasına destek sağlamanın ötesinde, simülasyon ve hesaplama sonuçları ile en etkili girinti temas derinliği ve şekli bulunmaya çalışılmıştır. Elastik rejim hesaplamaları, daha geniş koni açısının hem basınç minimizasyonu hem de termal gradyan azalması için genellikle daha etkili olduğunu göstermektedir. Ancak simülasyonlara plastisite dahil edildiğinde, yığılma oluşumu nedeniyle daha keskin koninin basınç durumu için daha etkili olduğu bulundu. Daha önemlisi yığın oluşumu, temas yüzeyinin tabanının üzerinde fazladan temas alanı oluşturduğu için ısıl meyil için de yararlı olabilir, bu nedenle termal temasların mikro ölçekli mühendisliği bu yüksek plastisite etkileri ile değerlendirilmelidir. \par Ek olarak, daralma/yayılma direnci temas çiftlerinin iletkenliğini bastırmaya başlamadan önce, mükemmel uyumlu silindirik girintinin değişen iletkenlik simülasyonları ile, öncelikle gradyan oluşumunun üstesinden gelinmesi gerektiğini bulduk. Bu nedenle, termal temas iletkenliğini artırmak için yüzey uzantılarının oluşturulması sırasında, elmas ve metalde olduğu gibi özellikle yüksek kaliteli arayüzler için uçta gradyan oluşumunun etkisi hafife alınmamalıdır. \par Nihayet, kanat benzerliğinin girintinin termal temaslarının yorumlanmasında kullanılabileceğini ve de kullanılması gerektiğini gördük. Mikro ölçekteki tek pürüz, bu benzersiz yaklaşım ve yeni salınımlı deney tasarımı ile araştırılmıştır. Bu çalışma elmas-metal kontaklardan oluşsa da önerilen deneysel prosedür herhangi bir kontak çifti için uygulanabilir ve literatürle karşılaştırılabilir. Takip edilen veri analizi, kontağın teması veya ayrılma sırası için güvenilir tek termal zaman sabiti sağlamaya odaklanmıştır. Bununla birlikte, sıcaklık ölçüm çözünürlüğündeki iyileştirmelerin yardımıyla, farklı girinti derinliklerinde birçok yarı-sabit durum temas çevriminin ortalaması yerine her bir temas çevrimini çıkarabiliriz. Ayrıca, bahsedilen iyileştirmelerle, ısıl temas iletkenlik tahminleri için deneylerin (yavaş) girinti kısımları ve (kare dalga) darbe etkileri de çıkarılabilecektir. \par Neticede, devam eden araştırma çalışmalarına bırakılan birkaç konu vardır. İlk olarak, mekanik özellikleri doğru bir şekilde ölçmek için girinti daha doğru olmalı ve Girinti Cihazı esnekliği azaltılmalıdır. Daha da önemlisi, çoğunlukla cihaz esnekliği sorunlarına bağlı olan girinti derinliği belirsizliği azaltılmalıdır. İkinci olarak, deneylerin termal ölçüm kısmı daha hassas cihazlarla veya tezde belirtildiği gibi elmas üzerinden doğrudan ölçüm ile gerçekleştirilebilir. Deney düzeneğimizin uç sıcaklığı üzerinde henüz bir kontrolü yoktur, ve uç sıcaklığı sadece ortam ve numune ile temas arasındaki termal denge ile belirlenir, belirli bir girinti seviyesinden sonra, deney sonuçlarında da görüldüğü gibi çözülebilir veri elde etmek imkansız hale gelir. Bu sorun, uca mümkün olduğunca yakın bir soğutucu takılarak kısmen çözülebilir, ancak bu prosedür ve düzenek yoluyla nihayetinde ölçüm yapmak için bir sınır olacaktır. Ancak, sadece bir düşünce deneyi olarak, tüm ucu üzerine bir soğutucu koyarak ve numuneye gömerek, ardından sıcaklığı doğrudan uçtan ölçmek (mesela elmas uçta NV merkezleri aracılığıyla), temas direnci ölçümleri adına bazı sonuçlar verebilir. Gerçekten de benzer durumlar ABAQUS simülasyonları aracılığıyla gösterilmiştir.
Benzer Tezler
- Küre grafitli dökme demir alaşımlarının ısıl özelliklerinin incelenmesi
Investigation of thermal properties of spheroidal graphite iron alloys
TANKUT ATEŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2006
Fizik ve Fizik MühendisliğiFırat ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF.DR. ABDULKADİR YILDIZ
- Vermiküler grafitli dökme demirin mekanik özellikleri ve ısı iletkenliğinin üretim şartlarına bağlı olarak değişiminin incelenmesi
Investigation of changes in mechanical properties and thermal conductivity of the vermi̇cular graphite cast iron due to its production conditions
BERKAY KARATAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji MühendisliğiGazi ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HASAN HASIRCI
- Investigation of anharmonic effects in phonon transport
Fonon iletiminde anharmonik etkilerin incelenmesi
MUSTAFA NEŞET ÇINAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİzmir Yüksek Teknoloji EnstitüsüMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALDUN SEVİNÇLİ
DOÇ. DR. ÖZGÜR ÇAKIR
- Isıl ve higroskopik yükleme altındaki ortotropik fonksiyonel derecelendirilmiş malzemelerde hesaplamalı yöntemlerle kırılma analizi
Computational methods for fracture analysis of orthotropic functionally graded materials under thermal and hygroscopic loading
SERRA TOPAL DAĞ
Doktora
Türkçe
2013
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜFİT GÜLGEÇ
DOÇ. DR. SERKAN DAĞ
- A numerical investigation of total temperature probes measurement performance
Toplam sıcaklık problarının ölçüm performansının sayısal bir incelemesi
ERDEM MERİÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FIRAT OĞUZ EDİS