مقدمة
تعد إدارة الحرارة موضوعًا مهمًا لمجموعة واسعة من التطبيقات، وتزداد أهميتها باستمرار. وينطبق هذا بشكل خاص على الأجهزة الإلكترونية والضوئية الحديثة عالية الطاقة (تطبيقات الجيل الخامس، والحوسبة عالية السرعة، أو رقائق أشباه الموصلات عالية الطاقة)، التي تولد حرارة كبيرة في مساحات محدودة للغاية small. ولتبديد الحرارة بسرعة، يجب وضع مبددات حرارية أو طلاءات حرارية مصنوعة من مواد ذات موصلية حرارية عالية عند مصدر الحرارة (مثل المشعات والمراوح ومبددات الحرارة، إلخ).
وفي البحث عن المواد المرشحة المثلى، برز الماس كحل واعد. فالماس ليس فقط من أصعب المواد التي تُنتج حاليًا على نطاق صناعي، بل يتميز أيضًا بأعلى موصلية حرارية مقارنة بأي مادة طبيعية معروفة. في درجة حرارة الغرفة، يمكن أن تتجاوز موصلية الماس الحرارية 2000 واط/(م·ك)، وهو ما يزيد بنحو أربعة إلى خمسة أضعاف عن موصلية النحاس أو الفضة. وبالاقتران مع معامل التمدد الحراري المنخفض للغاية وخصائصه العازلة للكهرباء في درجة حرارة الغرفة، يُعد الماس مادةً متميزةً لتطبيقات إدارة الحرارة المتقدمة. عند استخدام الماس في إدارة الحرارة، من الأهمية بمكان إجراء اختبار دقيق لموصلية الماس الحرارية. وتشكل الموصلية الحرارية الفائقة للماس وشفافيته البصرية العالية للغاية تحديات كبيرة أمام القياسات الدقيقة للأداء الحراري. وبالتالي، يصبح اختيار طرق وأدوات الاختبار الحراري، إلى جانب تقنيات الاختبار، أمرًا لا يقل أهمية.
في هذا السياق، يُعد تحليل وميض الليزر/الضوء (LFA)، وهو تقنية قياس حراري غير تلامسية، مناسبًا للغاية لتقييم الموصلية الحرارية للمواد ذات الموصلية الحرارية العالية. سيقدم مثال التطبيق هذا بشكل أساسي طريقة اختبار العينات ذات الموصلية الحرارية العالية والعينات الشفافة، مثل الماس، باستخدام جهاز تحليل الليزر/وميض الضوء NETZSCH LFA 717 HyperFlash® والتقنيات التجريبية المستخدمة في عملية الاختبار.
تحديد خصائص التوصيل عبر المستوى
يوضح الشكل 1 نتائج الانتشار الحراري، والسعة الحرارية النوعية، والتوصيل الحراري لعينة من الماس بسمك 2.69 مم. ويمكن ملاحظة أن الانتشار الحراري للعينة عند درجة حرارة الغرفة يبلغ حوالي 1100 مم²/ثانية، في حين تبلغ الموصلية الحرارية حوالي 2000 واط/(م·كلفن). تنخفض الموصلية الحرارية لعينة الماس بسرعة مع ارتفاع درجة الحرارة، وذلك بسبب الزيادة الحادة في تشتت الفونونات (عمليات أومكلاب) [1]. عند 300 درجة مئوية، تنخفض الموصلية الحرارية لهذه العينة إلى ما دون 1000 واط/(م·ك)، مما يشير إلى أن الموصلية الحرارية للماس تتأثر بشكل كبير بالتغيرات في درجة الحرارة. يوضح الجدول 1 تفاصيل ظروف القياس.
الجدول 1: شروط قياس LFA
| العينة | الماس |
|---|---|
| تحضير العينة | تم رشها بالذهب وتغطيتها بطبقة رقيقة من الجرافيت |
| حجم العينة | 10 مم؛ السماكة: 2.69 مم |
| حامل العينة | فتحة مربعة تتسع لـ 4 عينات |
| نطاق درجة الحرارة | من درجة حرارة الغرفة إلى 500 درجة مئوية |
| البيئة | النيتروجين |
| عرض النبضة | 50 ميكروثانية |
| الطراز | شفاف |
عند تحليل المواد ذات الانتشار الحراري العالي باستخدام LFA، يعد تقليل طول النبضة الضوئية وطاقتها أمرًا ضروريًا للحصول على نتائج دقيقة وموثوقة عند درجة الحرارة المطلوبة. يجمع جهاز LFA 717 بين عرض نبضة قابل للتعديل على نطاق واسع يتراوح من 10 إلى 1500 µs وكاشف عالي الحساسية وتردد لجمع البيانات يبلغ 2 ميجاهرتز، مما يضمن تحديدًا دقيقًا لخصائص التوصيل الحراري حتى بالنسبة لعينات الماس.
تحضير العينة وتأثيرها
أثناء إجراء اختبار LFA، تُغطى العينات عادةً بطبقة من الجرافيت لتعزيز قدراتها السطحية على امتصاص وانبعاث الإشعاع الضوئي مع تقليل الانعكاسية (انظر الشكل 2). بالنسبة للعينات التقليدية، يكون تأثير طلاء الجرافيت على نتائج الانتشار الحراري ضئيلًا للغاية. ومع ذلك، بالنسبة للماس – ولا سيما الماس أحادي البلورة الذي يتمتع بموصلية حرارية عالية بشكل استثنائي – لا يمكن تجاهل تأثير طلاء الجرافيت. تؤدي طبقات الجرافيت السميكة بشكل مفرط إلى انخفاض كبير في قيمة الانتشار الحراري المقاسة. وعلى العكس، فإن سماكة الطبقة غير الكافية لا تسمح بامتصاص الضوء الكامل، ويؤدي انتقال الضوء إلى داخل العينة (بسبب النفاذية الضوئية العالية للماس) إلى الإضرار بجودة إشارة جهاز الكشف وبالتالي دقة التحليل. ويتمثل الحل الفعال في هذا الصدد في ترسيب طبقة رقيقة من الذهب المرشوش على سطح عينة الماس لجعلها معتمة بشكل فعال، تليها طبقة رقيقة من الجرافيت لتحسين قدراتها على امتصاص الإشعاع وانبعاثه.
قياسات أجريت على الماسات ذات الطلاءات المختلفة
يعرض الجدول 2 معامل الانتشار الحراري لعينة من الماس أحادي البلورة بسمك 1.948 مم، مع مقارنة تأثيرات أربع طرق لتطليق السطح: طبقات الجرافيت أحادية الطبقة، وثنائية الطبقة، وثلاثية الطبقة، بالإضافة إلى الرش بالذهب المتبوع بطبقة رقيقة من الجرافيت عند درجة حرارة الغرفة. ويمكن ملاحظة أنه عند طلاء الجرافيت مباشرةً على العينة، تزيد كل طبقة من الجرافيت من سماكة العينة بحوالي 10 ميكرومتر. وزادت سماكة العينة بحوالي 30 ميكرومتر بعد طلاء ثلاث طبقات من الجرافيت. وبالمقابل، انخفضت النفاذية الحرارية لعينة الماس مع زيادة سماكة طبقة الجرافيت. وكما كان متوقعًا، فإن الجمع بين طبقة رقيقة من الذهب المرشوش وطبقة رقيقة وغير كاملة من الجرافيت يقلل إلى أدنى حد من تأثير الطلاء السطحي المطلوب على التحليل.
الجدول 2: الانتشار الحراري في درجة حرارة الغرفة وسماكة عينة الماس بعد طلاء السطح وفقًا لأربع طرق. سماكة العينة الأصلية قبل الطلاء: 1.948 مم.
| تحضير العينة | السماكة (مم) | الانتشار الحراري (مم²/ثانية) |
|---|---|---|
| بعد طلاء الجرافيت | 1.960 | 1093.16 |
| مغطى بطبقتين من الجرافيت | 1.969 | 1011.42 |
| مغطى بالجرافيت ثلاث مرات | 1.978 | 731.84 |
| طبقة ذهبية مرشوشة + طلاء رقيق من الجرافيت | 1.956 | 1223.25 |
وللتحقق من نتائج الانتشار الحراري التي تم الحصول عليها، تم تحليل عينتين إضافيتين من الماس بسماكات مختلفة (0.915 و3.001 مم). ويشير اتساق قيم الانتشار الحراري لجميع العينات الثلاث – التي تبلغ جميعها حوالي 1240 مم²/ثانية مع انحراف معياري لا يتجاوز 3% – إلى قابلية التكرار العالية لهذا التحليل الذي أُجري باستخدام جهاز LFA 717 من شركة NETZSCH (انظر الجدول 3). ومن اللافت للنظر أن إشارات الكاشف المسجلة للعينات الثلاث أظهرت توافقًا ممتازًا مع المنحنيات المطابقة للنموذج كما هو موضح في الشكل 3.
الجدول 3: الانتشار الحراري لعينات الماس ذات السماكات المختلفة (المغطاة بطبقة رقيقة من الذهب المرشوش وطبقة جزئية من الجرافيت).
| العينة | الانتشار الحراري (مم²/ثانية) |
|---|---|
| الماس - 0.915 مم | 1225.25 |
| الماس - 1.948 مم | 1223,25 |
| الماس - 3.001 مم | 1277.61 |
الخلاصة
تُظهر القياسات التي أُجريت باستخدام جهاز قياس التوصيل الحراري المتكامل LFA 717 HyperFlash® قدرته الفائقة على تحديد الخصائص الحرارية بدقة للمواد شديدة الصعوبة مثل الماس، الذي يجمع بين التوصيل الحراري الفائق والشفافية البصرية العالية. وتؤكد النتائج أنه عند تطبيق استراتيجيات مناسبة لإعداد السطح وتقييمه، يمكن الحصول على بيانات موثوقة وقابلة للتكرار بدرجة عالية حتى في ظل ظروف قياس صعبة.
بالنسبة لهذه العينات، تم تطبيق نهج طلاء مركب – يبدأ بالرش بالذهب ثم يتبعه طبقة رقيقة من الجرافيت – لضمان جودة إشارة مثالية في منحنيات ارتفاع درجة الحرارة. وقد أتاح هذا الإعداد اكتشاف إشارة مستقرة وحسّن جودة البيانات بشكل ملحوظ. واستنادًا إلى سلوك الإشارة الناتج، تم اختيار نموذج التقييم الأنسب (النموذج القياسي أو النموذج الشفاف)، مما يضمن التحديد الدقيق للانتشار الحراري.
بشكل عام، أثبت جهاز LFA 717 قدرته على توفير دقة قياس عالية ومتانة، مع توفير خيارات تحليل مرنة تسمح بتحديد خصائص المواد ذات الخصائص الحرارية والبصرية المتطرفة بشكل موثوق.