Use of finite elements to characterize thermomechanical and interfacial properties of composite materials

Resumen

A día de hoy, la microelectrónica se ha vuelto común en muchos aspectos de la vida diaria. Además, muchos de los usos que se le da requieren que los componentes electrónicos sean cada vez más pequeños, a la vez que exigen mayores consumos energéticos. Esto se traduce en la necesidad de crear materiales disipadores de calor de alta eficiencia que a la vez presenten coeficientes de expansión térmica similares al material a enfriar para evitar fallos termomecánicos. Un candidato prometedor son los materiales compuestos basados en matriz de Cu reforzados con nanofibras de carbono (CNF), debido a las excelentes propiedades de estas últimos y su reducido precio. Sin embargo, la intercara Cu-C es conocida por su baja mojabilidad que no permite aprovechar al máximo las propiedades de las nanofibras. En vista de este problema, este trabajo propone el uso de los métodos de elementos finitos (FEM) para ayudar en el diseño de dicho material en una configuración que resulte en las mejores propiedades posibles. Este trabajo se ha llevado a cabo en el contexto del proyecto europeo INTERFACE. Se ha desarrollado una novedosa serie de algoritmos y protocolos para generar modelos de elementos finitos y obtener sus propiedades termomecánicas. El tamaño de estos modelos se ha elegido teniendo en cuenta el concepto de elemento de volumen representativo (RVE) y se han diseñado de forma que se les puedan aplicar condiciones de contorno periódicas. También se ha prestado atención especial a los fenómenos de intercara como son, la barrera térmica, definida mediante la conductancia térmica de intercara, y el despegue entre fases a través de la teoría de la zona cohesiva. Con las herramientas desarrolladas se pueden generar modelos con diferentes formas, fracción volumétrica, arquitectura y propiedades termomecánicas tanto de la matriz como del refuerzo. Adicionalmente, estos modelos permiten distribuir el refuerzo de forma heterogénea creando concentraciones locales de refuerzo. Por otro lado, se ha estudiado la validez de estas metodologías y modelos comparando sus resultados con valores obtenidos mediante métodos analíticos. Una vez que el tamaño de elemento representativo ha sido evaluado, se han obtenido resultados muy parecidos al comparar los obtenidos mediante elementos finitos y métodos de campo medio. Las comparaciones se han hecho para diferentes contrastes de las propiedades entre las dos fases, diferentes arquitecturas, conductividad térmica dependiente de la conductancia de la intercara, inclusiones de formas esféricas y cilíndricas y diferentes tamaños de inclusión. En el caso de esferas, no se han encontrado diferencias en los resultados por encima del 6% y de 12.5% en el caso de cilindros. A parte del estudio de los materiales compuestos, se ha desarrollado una metodología para calibrar leyes cohesivas a través de la comparación con resultados de tests de indentaciones superiores. Con este fin, el propio test se ha simulado con elementos finitos y se han realizado varios estudios paramétricos. Se han obtenido los parámetros cohesivos necesarios para definir el proceso de despegue para el caso de una capa fina de Cu depositada sobre un substrato de C amorfo con una intercara nanométrica de Ti. Las herramientas desarrolladas se han usado para escribir una guía de diseño para materiales compuestos reforzados con fibra corta. Esta guía trata varios tipos de configuraciones como son diferentes arquitecturas, concentraciones locales de inclusiones, microestructuras de fibras y dimensiones de fibras, así como las conductividades térmicas a las que el material puede llegar dependiendo de la conductancia de la intercara. La guía se centra en las propiedades de un hipotético material compuesto Cu-CNF y concluye que las mejoras que se pueden obtener sobre el Cu son escasas y que, si el objetivo es mejorar las propiedades térmicas del Cu, es necesario mejorar notablemente la conductancia máxima de la intercara alcanzada en literatura.