Dos productos pueden describirse como diamante policristalino y aun así mostrar valores de conductividad térmica muy diferentes. Antes de comparar un número alto con una especificación de cortador PDC, identifique el material detrás de él: ¿es PCD sinterizado por HPHT utilizado en un cortador de perforación, o diamante policristalino CVD fabricado como película o placa? Para la conductividad térmica del diamante policristalino, la ruta del material importa tanto como el número.

El PCD Sinterizado y el Diamante CVD son Materiales Diferentes

La mesa de trabajo de un cortador PDC de perforación es generalmente PCD sinterizado por HPHT. El flujo de calor a través de él se ve afectado por cómo se conectan los granos de diamante, así como por el cobalto residual y la porosidad. El diamante policristalino CVD, por el contrario, puede producirse como una película delgada, una capa más gruesa, un disipador de calor u otra forma similar a una placa. Su estructura y uso previsto difieren de los del PCD sinterizado con cobalto, por lo que sus valores reportados no son intercambiables.

Los Valores Publicados No Son una Clasificación de Rendimiento

Los ejemplos publicados para PCD sinterizado utilizado en herramientas de perforación y corte abarcan aproximadamente de 120 a 560 W/(m·K). Estudios o calidades individuales reportan cifras como 120, 300, 459, 543 y 560 W/(m·K). Provienen de diferentes muestras y aplicaciones; promediarlos no produciría una especificación fija para un cortador comercial.

El diamante policristalino CVD de alta calidad puede superar los 1,000 W/(m·K). Algunas calidades de gestión térmica de alta pureza han reportado valores alrededor de 1,900–2,200 W/(m·K), mientras que los datos de CVD de grado mecánico están alrededor de 600–1,100 W/(m·K) a 300 K. Estas cifras describen materiales CVD particulares, no un valor predeterminado para el PCD de perforación con cobalto. Poner ambas familias de materiales en una misma tabla no las hace directamente comparables. Un resultado alto de CVD no puede sustituir una medición del grado de PCD que se está considerando.

La Microestructura, la Dirección y la Temperatura Cambian el Resultado

La conductividad térmica describe la facilidad con que un material transfiere calor bajo un gradiente de temperatura y comúnmente se reporta en W/(m·K). En el PCD sinterizado, las conexiones entre granos, el cobalto residual y los poros afectan esa trayectoria. Los límites de grano, los poros, el carbono no diamantino y las impurezas dispersan los fonones. Una red de diamante continua generalmente favorece la transferencia de calor, mientras que acumulaciones más grandes de cobalto conducen de manera menos efectiva que una red de diamante de alta calidad.

La dirección de medición también importa. El diamante CVD puede diferir entre sus lados de nucleación y crecimiento. En el PCD sinterizado, el flujo de calor en el plano y a través del espesor puede verse afectado por la estructura en capas, las interfaces y la tensión residual. La temperatura también cambia el resultado; por encima de la temperatura ambiente, la conductividad térmica generalmente disminuye. Por lo tanto, un valor sin su temperatura y dirección de prueba es difícil de interpretar.

La Conductividad Térmica No Es la Difusividad Térmica

El método flash generalmente mide la difusividad térmica directamente, no la conductividad térmica. Para un material homogéneo, la conversión es:

Conductividad térmica = difusividad térmica × densidad × capacidad calorífica específica

Dos muestras con la misma difusividad térmica pueden producir diferentes valores de conductividad si su densidad o capacidad calorífica específica difieren. La incertidumbre en esos datos de entrada también se traslada al resultado calculado. Una lectura de temperatura superficial de una cámara térmica tampoco es una medición de conductividad térmica.

La probeta de ensayo importa. El método flash descrito en la norma ISO 18755 está destinado a mediciones de difusividad térmica de cerámicas monolíticas homogéneas. Un PDC completo es un compuesto en capas, por lo que no se puede aplicar un modelo de una sola capa sin tener en cuenta esa estructura. Las pruebas pueden utilizar una probeta de PCD aislada, un enfoque de inversión en capas o un modelo compuesto que especifique la dirección. Un informe debe aclarar si cubre PCD de una sola capa, PCD sin cobalto, diamante CVD o un PDC completo, e indicar la temperatura de prueba, la dirección del flujo de calor y el método.

Una Mayor Conductividad No Garantiza una Zona de Corte Más Fría

Una mayor conductividad puede ayudar a alejar el calor del borde de trabajo, pero no determina por sí sola la temperatura de la zona de corte. La generación de calor, el área de contacto, la velocidad de corte y las condiciones de enfriamiento también afectan la cantidad de calor producido y eliminado. En un cortador PDC completo, el calor viaja a través de la mesa de PCD, la interfaz, el sustrato de carburo, la unión soldada, el cuerpo de la broca y el fluido circundante; las interfaces pueden agregar resistencia térmica.

La conductividad térmica y la estabilidad térmica son propiedades diferentes. La conductividad describe la transferencia de calor; la estabilidad debe considerarse con la temperatura, la atmósfera, la duración y la carga involucradas. Para un cortador de perforación, la conductividad es una información útil sobre el flujo de calor, no una predicción independiente de la temperatura operativa en el fondo del pozo.