Measurement of thermal constriction resistance in micro-contacts formed by indentation of metals
Metallerde girinti yöntemiyle oluşturulan mikro-temaslarda ısıl daralma direncinin ölçümü
- Tez No: 992320
- Danışmanlar: PROF. DR. HAKAN ÖZGÜR ÖZER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- 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: Belirtilmemiş.
Özet
Elektronik cihazların minyatürleştirilmesiyle birlikte termal yönetim önemli bir alan haline gelmiştir. Cihaz boyutlarının küçülmesi, daha yüksek güç yoğunluklarına yol açarak aşırı ısınma sorunlarına neden olabilir. Sonuç olarak, elektronik bileşenlerde çeşitli soğutma teknikleri kullanılmaktadır. Bu tekniklerin temel amacı, ısı emiciler kullanarak fazla ısıyı uzaklaştırmaktır. Bununla birlikte, ısı üreten bileşen ile ısı emiciler arasındaki arayüz, termal temas direnci olarak bilinen bir ısı akışı direnci oluşturur. Bu nedenle, temas eden yüzeyler boyunca ısı transferi, teorik ve deneysel çalışmalar yoluyla geniş çapta araştırılmıştır. Birbirine temas eden farklı sıcaklıklardaki iki malzemenin arayüzü incelendiğinde, arayüzde ani bir sıcaklık düşüşü gözlemlenir. Bu sıcaklık düşüşü, ısıl temas direnci ile ilişkilendirilir. Isıl temas direnci, temas eden malzemelerin yüzeylerindeki mikrometre boyutundaki çıkıntılardan kaynaklanır. Arayüze ulaşan ısı enerjisi, bu çıkıntılardan geçerek karşı malzemeye iletilir. Bu geçişte daralmaya uğrayan ısı iletimi, ısıl daralma direncini oluşturur. Isıl daralma direnci, yarı sonsuz bir malzemeye, yüzeyindeki daire şeklinde bir alandan ısı girmesi şeklinde modellenir. Yapılan hesaplarda, malzemelerin ısıl ve mekanik özellikleri ve şekil bozulmaları dikkate alınarak, ısıl daralma direnci için ifadeler elde edilmiştir. Teması oluşturmak için malzemeleri bir araya getiren kuvvet, yüzey çıkıntılarının şekil değiştirmesine sebep olur. Uçlarından düzleşen çıkıntılar, daha büyük bir temas alanına sahip olarak ısıl daralma direncinin azalmasına sebep olur. Yapılan literatür çalışmalarında, çıkıntıların uygulanan kuvvet ile düzleşmesi ve bunun ısıl daralma direncine etkisi araştırılmıştır. Bu çalışmada ise, girinti yöntemi ile oluşturulan üç boyutlu temas alanları incelenmiştir. Sivri ve sert bir elmas ucun, daha yumuşak olan örneğe girinti yapması yoluyla temas alanı oluşturulmuştur. Bu alanda ısı iletimi oluşması için gerekli sıcaklık farkı ise örneği ısıtarak elde edilmiştir. Ölçümler, Girinti Cihazı (indenter) ile gerçekleştirilmiştir. Bu cihaz ile, ucun kontrollü hareketi sağlanmış ve deney sırasında örnek ve uç sıcaklıkları, kuvvet, ve ucun yer değiştirmesi kaydedilmiştir. Isıl daralma direncini farklı derinliklerde ölçebilmek için bir deney yöntemi geliştirilmiştir. Bu yöntemde ilk aşama, ucun yüzeyi bulmasıdır. Daha sonra, uç örnek içinde bir miktar daha ileri hareket ettirilir. Ardından burada belli bir genlik ve frekanas ile kare dalga şeklinde ileri ve geri hareket eder. İleri harekette daha derine inen uç, geri harekette örnekle teması kaybeder. Bu döngü aynı derinlikte 90 kez tekrar edilir ve ortalama alınarak sıcaklık verisindeki gürültü bastırılmış olur. Elde edilen uç sıcaklığı incelendiğnde, bir RC elektrik devresinde sığan yüklenip boşalması davranışına benzediği görülmüştür. Uç sıcaklığı üstel artış fonksiyonuna uydurularak elde edilen uydurma sabiti ile bu davranışın zaman sabiti elde edilmiştir. Toplu Isı Sığası Modeli yardımıyla yapılan veri analizinde, elde edilen zaman sabitleri ve ucun ısı sığası kullanılarak ısıl daralma direnci elde edilmiştir. Ucun ısı sığası, ucun kütlesi ve özgül ısı sığasına bağlı sabit bir değer olmasına rağmen, yapılan deneylerde gözlenen sonuçlara göre, her örnek ve uç ikilisi için farklı değerler göstermiştir. Bunu açıklamak için örnek-uç temas alanı özelliklerini kapsayan bir etkin ısı sığası öne sürülmüş ve her örnek için elde edilen uç sıcaklığına ait zaman sabiti verilerinin bir fonksiyona uydurulması yöntemiyle elde edilmiştir. Buna ek olarak, incelenen mikrometre boyutundaki temas alanının kapsadığı daha küçük boyutlardaki çıkıntıların da ölçülen dirence katkı sağladığı gözlenmiş olup, fononik düzeyde etki gösteren sabit bir direnç uydurma fonksiyonuna eklenmiştir. Uydurma fonksiyonu olarak, sonlu kalınlık ve çapa sahip bir örnek yüzeyindeki disk şeklinde oluşmuş temas alanından ısı yayılması modeline ait direnç ifadesi kullanılmıştır. Etkin ısı sığasını test etmek için, aynı örnekte, biri örneğin merkezinde, diğeri kenara yakın olmak üzere iki grup deney yapılmış ve elde edilen etkin ısı sığası değerleri arasında beklenen fark görülmüştür. Bu fark, ucun kenara yakın yerde yaptığı temasın, örneğin kenarlarından soğumasından etkilenmesi ile açıklanmıstır. Elde edilen sabitler kullanılarak, her örnek için ısıl daralma direnci hesaplanmıştır. Bahsedilen deney ve analiz yöntemi, iki bakır ve iki altın olmak üzere dört farklı metal örnek için uygulanmıştır. Örnekler çap, kalınlık ve ısıl iletkenlikleri bakımından farklılık göstermektedir. Örneklerin çoğu yüksek saflıkta metaller olup ısıl iletkenlik değerleri literatürden alınmıştır, ancak bakır örneklerden birinin daha düşük kalitede olduğu bilindiğinden bu örneğin ısıl iletkenliği deneysel olarak ölçülmüştür. Isıl iletkenliği elde edebilmek için bakır örneklerin ilk olarak sıcaklık yayınırlığı Lazer Flaş Tekniği ile ölçülmüştür. Bu yöntemde, disk şekline getirilen örneklerin ön yüzlerine kısa darbeli lazer gönderilip arka yüzlerinden termokupl ile sıcaklık artışı kaydedilmiştir. Arka yüz sıcaklığının maksimum değerinin yarısına ulaşması için gereken zaman tayin edilip, ısıl yayınırlık elde edilmiştir, ölçülen özgül ısı ve yoğunluk değerleriyle çarpılarak ısıl iletkenlik bulunmuştur. Bakır örneklerin ısıl iletkenlikleri oranı yaklaşık 1.5 elde edilmiş olup bu fark ısıl daralma direncini etkilemektedir. Altın örneklerin ısıl iletkenliği eşit olup yüzey pürüzlüğü ve boyutları arasındaki farklar daralma dirençlerinde etki etmektedir. Örneklerin yukarıda bahsedilen farklı özellikleri, aynı derinlik ve kuvvetlerde farklı daralma dirençleri göstermelerine sebep olmuştur. Bakır ve altın sonuçları birbiriyle karşılaştırılmış ve girinti derinliği ve kuvvetin daralma direncine etkisi incelenmiştir. Elde edilen daralma direçleri, girinti derinliği ve kuvvete göre incelendiğinde, simülasyon sonuçlarınn da gösterdiği gibi, bir doygunluğa ulaştığı gözlenmiştir. Belli bir derinlik ya da kuvet değerinden sonra, dirençteki azalma hızı yavaşlamış olup, derinliği arttırmanın ısıl teması iyileştiremek yönündeki etkisi azalmıştır. Isıl daralma direncinin incelenmesinin yanı sıra geliştirilmesi için farklı yöntem ve malzemeler araştırılmaktadır. Isıl Arayüz Malzemeleri, bu amaçla geliştirilmiş olup temas eden yüzeyler arasına konularak, çıkıntıların oluşturduğu boşlukları doldururlar. Havadan daha yüksek ısıl iletkenliğe sahip olduklarından, arayüzdeki ısı iletimini iyileştirirler. Termal macun, yağ ya da folyo gibi değişik türleri bulunmakta olup bu alanda çalışmalar yapılmaya devam edilmektedir. Son yıllarda, iki boyutlu karbon içeren malzemelerin arayüz malzemesi olarak kullanılması çalışılmaktadır. Bu malzemeler, genellikle bir taşıyıcı matrisin içine karıştırılarak ısıl iletkenliğinin artmasına sebep olur. Bu çalışmada, grafenin daralma direncine etkisini görebilmek için grafen kaplanmış bir bakır folyo örneği incelenmiştir. Aynı parametrelerle, bakır ve grafen üzerinde yapılan deney sonuçları karşılaştırılmıştır. Deneylerde uygulanan kuvvet aralığında, daralma direnicinde dikkat çekici bir fark görülmemiştir, ancak bahsedilen deney düzeneği ile farklı iki boyutlu malzemeler veya farklı alttaş kombinasyonları incelenebilir. Son olarak, uç olarak seçilen malzemenin özellikleri önem taşımaktadır. Elmas, yüksek ısıl iletkenliğe sahip sert bir malzemedir. Tek bir elmas uç ile gerçekleştirilen girinti deneyleri, elmasın arayüz malzemesi olarak kullanılabilmesi konusunda bilgiler sunar. Örneğin, bir arayüze termal temas oluşturmak üzere bir dizi elmas sivri uç üretilip yerleştirilebilir. Bu tür bir yapılandırma, geleneksel macun bazlı arayüz malzemeleri ile yüzeyin ıslatılması olmadan, tak-çıkar kullanılabilir kontaklar için verimli ısı transferi sağlayabilir.
Özet (Çeviri)
Heat transfer across contacting surfaces has been widely investigated through theoretical and experimental studies as a consequence of increasing demand in the thermal management industry. The contacting surfaces consist of micrometer-scale asperities. When heat enters the contact, it is constricted by these asperities, giving rise to the thermal resistance. This phenomenon is studied as heat entering or leaving a half space through a circular contact area at its boundary. The resulting expressions describe thermal constriction resistance in terms of surface and material properties, as well as the applied load and the contact area. Under applied pressure, asperities deform by truncation at their apex, increasing the real contact area and thereby reducing the thermal resistance. In contrast to many studies in the literature that focus on two-dimensional contact formation, this study investigates three-dimensional contact surfaces created by indentation. A sharp cube corner diamond indenter tip is penetrated into the softer metallic sample, deforming the sample material and generating a volumetric contact area for heat transfer. The experimental setup for the investigation of thermal contact consists of a homemade indenter system. It enables controlled positioning of the indenter tip into the sample while measuring the temperature of the tip and the load. An experimental procedure is followed to determine the thermal constriction resistance at different indentation depths, involving an oscillatory motion of the indenter tip, producing alternating contact and noncontact periods. The resulting tip temperature response is analyzed using the lumped capacitance model. The rise portion of the tip temperature is fitted to the exponential function, and the time constant is extracted. Then, constriction resistance is obtained using the proposed effective heat capacity, which is different for each tip-sample contact pair. The experimental procedure is applied to four different metallic samples, consisting of two copper and two gold samples with different thermophysical properties. The results are compared across samples, and the effects of applied load and depth on thermal constriction resistance are analyzed. The dependence of the constriction resistance on depth and load exhibits a saturation behavior, consistent with the simulation results. In addition, the effect of graphene on thermal constriction resistance is also investigated by performing experiments on graphene-coated copper and copper substrate under identical experimental conditions. Although no significant reduction in the measured time constants is observed for graphene in the load range of the experiments, other two dimensional materials may offer improved performance and require further investigation. Lastly, the choice of the indenter tip material is of particular importance. Diamond exhibits both high thermal conductivity and high stiffness. Investigating the thermal contact behavior of a single diamond asperity can provide insights into its potential use as a thermal interface material (TIM). Such an application could enable efficient heat transfer for plug-in contacts without the wetting of the surface by conventional paste-based TIMs.
Benzer Tezler
- Investigation of the cutting performances of the diamond tools used in the natural stone industry
Doğal taş sanayisinde kullanılan elmaslı kesicilerin kesim performansının incelenmesi
BERRAK BULUT
Doktora
İngilizce
2021
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Investigation of thermal conduction in microcontacts created by indentation
Girinti ile oluşturulmuş mikro ölçekli temaslarda ısıl iletimin incelenmesi
AHMED ULUCA
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAKAN ÖZGÜR ÖZER
- Geçirgen ve iletken elektrot olarak karbon nanotüp katkılı indiyum kalay oksit ince filmlerin geliştirilmesi
Development of carbon nanotube doped indium tin oxide transparent conductive electrode
GÖKÇEN GÖKÇELİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilimi ve Teknolojileri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN KARATEPE YAVUZ
- Boyalara ve kaplamalara nano metal oksit katkısının fiziksel, antikorozif ve antibakteriyel etkilerinin incelenmesi
Determination of physical, antiorrosive and antibacterial effects of nano metal oxide additives to paints and coatings
EZGİ KIZILKONCA DURAN
- Alüminyum plaka yüzeyinin mikro ark oksidasyon yöntemiyle nano boyutlu ZrO2 tanecik hapsedilmiş Al2O3 kaplanması ve dielektrik özelliklerinin incelenmesi
Coating of the nano-dimensional ZrO2 embedded Al2O3 layer with micro arc oxidation method on the aluminium plate and investigation of the dielectric properties of these layer
ONUR ÇETİN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI