مقدمة
تُعد تقنية مقياس التدفق الحراري (HFM) طريقة معروفة ومقبولة لتحديد التوصيل الحراري للمواد العازلة مثل البوليسترين المشكل بالبلاستيك أو الصوف الصخري أو ألواح الألياف الزجاجية. كما يمكن أيضًا فحص مواد البناء مثل الخرسانة ذات الموصلية الحرارية العالية والهيكل الصلب باستخدام HFM. تعمل مجموعة الأدوات على توسيع نطاق القياس حتى 2 وات/(م ∙ كلفن). تصف هذه المذكرة التطبيقية مجموعة أدوات القياس بالتفصيل، وتعرض البيانات التي تم الحصول عليها على Pyrex® باستخدام HFM 436/3/1 (الشكل 1). يتم توضيح فعاليتها من خلال ربط البيانات بتقنية تحليل وميض الليزر (LFA، الشكل 2).
مجموعة أدوات القياس
عند اختبار المواد العازلة باستخدام تقنية HFM، عادةً ما تكون المقاومة الحرارية البينية بين العينة وألواح HFM ضئيلة بالنسبة للمقاومة الحرارية للعينة. أما في حالة العينات عالية التوصيل و/أو العينات المتيبسة، فإن هذا الافتراض لم يعد صالحًا. حتى إذا كانت أسطح العينة مسطحة جدًا ومتوازية بشكل مستوٍ، تظل هناك دائمًا بعض الفجوات الهوائية الصغيرة في الواجهة، مما يؤدي إلى اختلافات كبيرة بين درجات حرارة اللوحين وسطح العينة، وتدفق حراري غير متجانس عبر العينة. لتجنب أوجه القصور هذه، من الضروري وجود مجموعة أدوات القياس. وهي تتكون من مزدوجتين حراريتين خارجيتين وطبقتين بينيتين (الشكل 3). تعمل الطبقات البينية على تحسين التلامس الحراري بين الألواح والعينة، في حين أن المزدوجات الحرارية الخارجية تكون على اتصال مباشر بأسطح العينة (الشكل 4) وبالتالي تقيس درجات الحرارة السطحية الدقيقة و"الحقيقية" (الشكل 5).
مقارنة بين بيانات القياس على Pyrex® باستخدام HFM مع مجموعة أدوات القياس وتقنية LFA
تم عرض أداء مجموعة أدوات القياس باستخدام Pyrex®، وهي مادة مرجعية متجانسة ومستقرة كيميائيًا ومعروفة جيدًا للتوصيل الحراري منذ الستينيات من القرن الماضي مع توصيل حراري يبلغ حوالي 1.14 وات/(م ∙ كلفن) عند درجة حرارة 23 درجة مئوية [1].
تم إجراء البيانات المبلغ عنها على عينات بقياس 300 مم × 300 مم × 20 مم مع مجموعة أدوات القياس وبدونها. تم تحقيق معايرة مستشعرات التدفق الحراري باستخدام لوح من الألياف الزجاجية (1450D) معتمد من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST) بدون مجموعة أدوات، وفقًا للمواصفة ASTM C 518. تم اختبار ثلاث عينات بيركس مختلفة (أ، ب، ج) من نفس الدفعة. كما تم تحضير عينتين (1، 2) بقطر 12.7 مم وسمك 2.5 مم من نفس الدفعة لاختبارات LFA. أُجريت القياسات باستخدام جهاز LFA467 Hyperflash.
يوضح الجدول 1 النتائج عند درجة حرارة 23 درجة مئوية من اختبارات HFM وLFA المختلفة. ويوضح الانحراف المعياري الصغير (1.7%) لاختبارات HFM قابلية الاستنساخ الجيدة للطريقة. يُظهر متوسط التوصيل الحراري البالغ 1.15 واط/(م ∙ كلفن) انحرافًا بنسبة 0.88% فقط عن متوسط القيمة من اختبار الترددات المنخفضة والأدب. وهذا يثبت دقة قياسات HFM باستخدام مجموعة الأدوات.
الجدول 1: الموصلية الحرارية ل Pyrex® عند درجة حرارة 23 درجة مئوية باستخدام HFM و LFA
الطريقة | العينة/القياس | الموصلية الحرارية واط/(م ∙ كلفن) | متوسط الموصلية الحرارية واط/(م ∙ كلفن) |
|---|---|---|---|
| HFM | بيركس أ | 1.13 | 1.15 |
| بيركس ب | 1.17 | ||
| بيركس ج | 1.14 | ||
| HFM | بيركس بدون طقم الأجهزة | 0.53 | 0.53 |
| لفا | بيركس - 1 | 1.14 | 1.14 |
| بيركس - 2 | 1.14 |
بدون مجموعة أدوات القياس، تؤدي مقاومة التلامس الحراري العالية ودرجات حرارة السطح غير المعروفة إلى توصيل حراري قدره 0.53 وات/(م ∙ كلفن)، وهو أقل بكثير من القيمة المتوقعة.
يصور الشكل 6 النتائج من 10 درجات مئوية إلى 65 درجة مئوية باستخدام HFM، وLFA والقيم الأدبية (أشرطة الخطأ ± 5%). خلال نطاق درجة الحرارة بالكامل، تتفق نتائج HFM وLFA بشكل جيد مع القيم الأدبية (أقصى انحراف 2.8% - LFA و3.9% - HFM).
الملخص
يمكن فحص الموصلية الحرارية للمواد الصلبة حتى 2 وات/(م ∙ كلفن) بشكل موثوق باستخدام جهاز قياس الحرارة الحرارية العالية شريطة قياس درجات حرارة السطح بدقة. ويتحقق ذلك باستخدام مجموعة الأدوات، التي تضمن تدفقًا حراريًا متجانسًا ودرجات حرارة سطح العينة الحقيقية. تتسم بيانات قياسات HFM باستخدام مجموعة الأدوات بأنها قابلة للتكرار بدرجة كبيرة ومتوافقة بشكل جيد مع نتائج تقنية LFA والأدبيات. Furthermore, the long term stability qualifies Pyrex® as a material of choice for verifying the performance of the HFM with Instrumentation Kit prior to measuring unknown, high conductive samples.