Carbonio e grafite per la gestione termica

Identificare e progettare i migliori materiali per una particolare applicazione che coinvolga la gestione del calore può essere un compito impegnativo: i fornitori prospettano ai progettisti industriali innumerevoli opzioni e spesso non offrono informazioni sufficienti per prendere una decisione consapevole. I ricercatori e i tecnici di GrafTech International danno un grande valore allo studio approfondito dei loro prodotti, così da poter fornire ai propri clienti tutte le informazioni necessarie per scegliere le soluzioni più adatte su carbonio e grafite. “Per comprendere meglio i nostri prodotti e le loro prestazioni nel contesto di una particolare applicazione che coinvolge la gestione del calore usiamo la simulazione numerica, in combinazione con le prove sperimentali”, spiega Richard Beyerle, senior scientist nell’Innovation and Technology Group di GrafTech. “Stiamo sviluppando nuovi, avanzati strumenti computazionali che potranno essere utilizzati anche dai nostri tecnici commerciali, dagli specialisti di settore e dai clienti, per confrontare il comportamento dei nostri prodotti sotto forma di prototipi virtuali prima di procedere all’implementazione fisica e ai test”. In Fig. 1 si può vedere un esempio di questi strumenti: un’app computazionale. L’app offre un’interfaccia user-friendly al modello matematico sottostante, in modo che sia di facile utilizzo per chiunque debba eseguire una simulazione. L’uso della simulazione numerica, e in particolare della modellazione multifisica, è diffuso in tutto l’Innovation & Technology Group. “In effetti, tutti i nostri prodotti e le nostre applicazioni hanno richiesto l’uso della simulazione multifisica”, dice Ryan Paul, Innovation and Technology Manager di GrafTech. Durante il loro lavoro, Beyerle, Paul e il senior scientist Nathanael May utilizzano la modellazione multifisica e le app di simulazione per comprendere meglio il comportamento elettrico, strutturale e termico di carbonio e grafite, ma anche per la progettazione e l’ottimizzazione di molte applicazioni industriali.

Immagine di un’app che combina un’interfaccia user-friendly con un modello multifisico sottostante, rendendo accessibile l’analisi a un gruppo più ampio di utenti

Fig. 1 - Un’app combina un’interfaccia user-friendly con un modello multifisico sottostante, rendendo accessibile l’analisi a un gruppo più ampio di utenti

Comprendere il comportamento di carbonio e grafite 

Le soluzioni avanzate prodotte da GrafTech a partire da carbonio e grafite sono disponibili in molte forme diverse, tra cui lastre rigide, feltro, polveri, lamine flessibili ed elementi strutturali lavorati su misura. Il carbonio amorfo e la grafite sono composti dello stesso elemento chimico, il carbonio. Rispetto al carbonio amorfo, la grafite ha una struttura estremamente ordinata, che consiste di molti strati planari. In ogni singolo strato di grafite si può osservare un reticolo a nido d’ape, in cui legami covalenti tra atomi di carbonio assumono una disposizione esagonale. Questa struttura offre un’eccellente conducibilità elettrica e termica lungo lo strato, in particolare a confronto con il carbonio amorfo. La grafite è anche molto resistente: un singolo strato di grafite, chiamato grafene, è il più forte materiale conosciuto. Tuttavia, il legame debole tra i diversi strati di grafite, attraverso le forze di van der Waals, comporta un’inferiore conducibilità elettrica e termica trasversali allo strato, il che conferisce alla grafite proprietà altamente anisotrope. Strati individuali sono in grado di scivolare l’uno sull’altro, rendendo il materiale solido relativamente morbido. Molte tipologie di grafite possono comunque sopportare temperature superiori a 3000 gradi Celsius in un’atmosfera non-ossidante. Per impiegare la grafite in applicazioni in cui lo scambio termico è notevole e trarre vantaggio dalle sue proprietà termiche uniche, è necessario comprendere meglio il comportamento complessivo del materiale. A questo scopo, Graftech adotta una combinazione di caratterizzazione sperimentale e simulazione con il software Comsol Multiphysics. “La sfida progettuale è modellare le proprietà dipendenti dalla temperatura e la performance della grafite sotto carichi dinamici termico-meccanico-elettrici”, spiega Paul. “Modellando la grafite e le sue applicazioni, si apprende più in fretta e, grazie a una comprensione più profonda dei meccanismi e della teoria, si pongono le basi per la fase sperimentale. Questo è qualcosa che i dati sperimentali da soli non possono generare”. 

Modellare lamine di grafite per il raffreddamento dei dispositivi elettronici

Per una potenziale applicazione - la gestione termica dei componenti elettronici - GrafTech progetta e realizza lamine di grafite sottili e flessibili. Tra le lamine di grafite disponibili, per esempio, ci sono i dissipatori di calore Spreader-Shield, progettati per diverse applicazioni, come smartphone, tablet e schermi. I dissipatori di calore in grafite per raffreddare un dispositivo o un componente elettronico, in modo che possa funzionare a temperature più basse, estendendo la sua durata nel tempo e migliorando le sue performance. I dissipatori di calore in lamine di grafite sono disponibili in una gamma specifica di spessore, conducibilità elettrica e termica, impedenza di contatto e opzioni di rivestimento. “La sfida comune è trovare l’equilibrio tra la performance termica desiderata e il costo”, afferma Beyerle. “La simulazione numerica è un metodo eccellente per valutare come si comporterà una lamina di grafite per il raffreddamento dei componenti elettronici di un particolare dispositivo: ci permette di identificare la soluzione più economica per i nostri clienti senza compromettere le prestazioni”. Per valutare lo scambio termico anisotropo e la performance delle lamine flessibili di grafite per la gestione termica in varie applicazioni elettroniche, Beyerle sta sviluppando modelli matematici e app di simulazione con il software Comsol Multiphysics. Una singola app su misura permette all’utente di valutare dissipatori termici di grafite in geometrie correlate a dispositivi elettronici, come telefoni cellulari. L’app offre la possibilità di cambiare la posizione e le dimensioni delle fonti di calore, delle fessure e di altre aperture, specificare la fonte di energia, visualizzare la mesh agli elementi finiti e i risultati della simulazione. Il cambiamento della lunghezza della fessura, per esempio, possa avere un effetto sulla dissipazione del calore di una fonte vicina. Per assicurarsi che un’app di simulazione sia davvero utile, un passo importante è verificare il modello matematico sottostante. Beyerle si preoccupa in particolare di simulare in modo accurato lo scambio termico anisotropo sia negli strati planari che in quelli curvi dei dissipatori di calore in grafite. In questo caso, se la simulazione non è accurata i risultati potrebbero dare l’impressione che le prestazioni straordinarie della grafite siano simili a quelle di un metallo ordinario. Con il software Comsol si può creare facilmente un sistema di coordinate definito dall’utente per la modellazione delle proprietà anisotrope del materiale, incluse parti curve e ramificate. L’app è stata progettata in modo da eseguire una simulazione in poco tempo (meno di 12 secondi), diventando così uno strumento adatto per l’utilizzo durante il ciclo di vendita. Utilizzando il prodotto Comsol Server, Beyerle può mantenere l’hosting dell’app sull’hardware locale in GrafTech e dare a colleghi e clienti la possibilità di eseguire l’app da remoto, tramite qualsiasi sistema dotato di un Comsol Client for Windows o con un normale web browser.

Ottimizzare il progetto e il funzionamento di un forno 

Nonostante i numerosi vantaggi dell’utilizzo della grafite nella pratica, molte tipologie uniche di materiali prodotti da GrafTech presentano proprietà anisotrope e dipendenti dalla temperatura che possono essere complesse da modellare con accuratezza, una sfida che impegna Beyerle e Paul, insieme al loro collega Nathanael May, un altro senior scientist dell’Innovation and Technology Group. “Disporre di molte tipologie uniche di materiali significa dover lavorare in laboratorio per costruire un database delle proprietà dei materiali da poter utilizzare nei nostri modelli”, spiega May. “Lo sforzo però è assolutamente giustificato. La prototipazione virtuale attraverso la modellazione matematica è molto utile per far crescere la fiducia dei potenziali clienti e ci permette di dimostrare che le soluzioni GrafTech sono verificate meticolosamente”. Uno dei progetti più importanti di May è dedicato alla creazione di un sofisticato modello multifisico con Comsol Multiphysics. “Sto creando soprattutto modelli 2D e 3D per simulare forni ad alta temperatura, come forni a induzione, forni sotto vuoto, forni per la formazione di cristalli di alta qualità”, spiega May. La Fig. 2 mostra un esempio di forno a induzione proveniente dal lavoro di May, insieme ai risultati di un’ottimizzazione eseguita utilizzando la simulazione numerica. Grazie alla simulazione, è stato ottimizzato lo spessore di uno strato isolante di grafite legata a carbonio, chiamato Grafshield, allo scopo di impedire che la temperatura nelle bobine di induzione raffreddate ad acqua superi i 100 °C. Inoltre, mantenere gli strati isolanti il più possibile sottili riduce la quantità di corrente necessaria per mantenere il forno in temperatura.

Fig. 2 - Sopra, la distribuzione della temperatura calcolata dalla simulazione di una fornace con bobine di induzione raffreddate ad acqua. Sotto, i risultati dimostrano lo spessore ideale di uno strato isolante di grafite necessario per raffreddare le bobine

 

 

 

 

 

 

 

Le immagini contenute in questo articolo sono pubblicate per gentile concessione di GrafTech

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