مقدمة
تُستخدم رقائق الجرافيت في العديد من التطبيقات التقنية التي تتطلب تبديد الحرارة بكفاءة على الرغم من رقة المادة، كما هو الحال في الإلكترونيات وتكنولوجيا الطاقة والهندسة الميكانيكية. وبالإضافة إلى مقاومتها الحرارية والكيميائية العالية، تتميز هذه الرقائق بتوصيلها الحراري متباين الخواص.
وفي حين أن توصيلها الحراري المتعامد على مستوى الرقاقة (عبر المستوى) منخفض نسبيًا، فإنها تُظهر توصيلًا حراريًا عاليًا جدًا في المستوى (داخل المستوى). ترتبط هذه الخصائص إلى حد كبير بالإنتاج، على سبيل المثال، بسبب الدرفلة. تتيح الموصلية الحرارية داخل المستوى التوزيع الجانبي السريع للحرارة عبر سطح الرقاقة. وهذا مهم بشكل خاص لتقليل النقاط الساخنة المحلية، حيث يسمح بتبديد مصادر الحرارة الموضعية بكفاءة. وبالتالي، تعمل رقائق الجرافيت كموزعات للحرارة، مما يساهم بشكل كبير في الاستقرار الحراري وموثوقية الأنظمة التقنية الحديثة.
عبر الطائرة مقابل داخل الطائرة
إن التحديد الدقيق للتوصيل الحراري عبر المستوى وداخل المستوى له أهمية مركزية لتصميم العديد من التطبيقات التقنية. يمكن لجهاز تحليل وميض الليزر (LFA) التعامل مع هذه المهمة بسهولة وسهولة في الاستخدام باستخدام حوامل ونماذج العينات المناسبة. يتم إجراء القياسات عبر المستوى باستخدام حامل عينة الرقائق، والذي تم تحسينه لقياس العينات الرقيقة (انظر الشكل 1، يسار). ومع ذلك، يتم إجراء القياسات داخل المستوى باستخدام حامل العينة داخل المستوى (تدفق الحرارة إلى الداخل)؛ انظر الشكل 1، يمين.
يتم إجراء القياسات عبر المستوى بشكل عمودي على سطح العينة. تستخدم القياسات داخل المستوى إضاءة على شكل حلقة للعينة، بينما يتم اكتشاف ارتفاع درجة الحرارة في مركز العينة. وهذا يجعل إشارة القياس مميزة للتوصيل الحراري في المستوى. يوضح الشكل 2 رسمًا توضيحيًا يوضح ذلك.
شروط القياس
شروط القياس مفصلة في الجدول 1.
الجدول 1: شروط القياس
| نظام LFA | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| العينة | رقائق الجرافيت |
| سُمك العينة | 500 ميكرومتر |
| الكثافة | ~ 1 جم/سم مكعب من ورقة البيانات |
| السعة الحرارية النوعية | القيم الأدبية من جرافيت POCO [2] |
| برنامج درجة الحرارة | 25 إلى 500 درجة مئوية |
| الغلاف الجوي | النيتروجين |
| اتجاه القياس | عبر المستوى وداخل المستوى |
| حامل العينة | عبر المستوى → حامل العينة → حامل العينة للرقائق داخل المستوى → حامل عينة داخل المستوى (تدفق الحرارة إلى الداخل) |
| نماذج التقييم | عبر المستوى → النموذج القياسي المستند إلى كيب ليمان داخل المستوى → نموذج متعامد الخواص |
النموذج المتعامد الخواص
لمراعاة التباين الواضح في تباين الخواص لرقائق الجرافيت أثناء التقييم، يصف النموذج المتعامد الخواص الانتشار الحراري ككمية تعتمد على الاتجاه، مع وجود مكونين مستقلين: أحدهما عمودي على مستوى العينة (α)، والآخر في المستوى (α||). وينعكس ذلك مباشرة في معادلة التوصيل الحراري الأساسية.
هنا، تشير z إلى الاتجاه العمودي على سطح العينة (عبر المستوى) و r إلى الاتجاه الشعاعي في المستوى (داخل المستوى). وبدلاً من افتراض انتشارية موحدة في جميع الاتجاهات، يتضمن النموذج قيم بارامترات مستقلة ل α || و α، مما يتيح له حساب الانتشار الحراري الفعلي في المواد متباينة الخواص. عند تقييم قياس داخل المستوى، يتم دمج معامل الانتشار عبر المستوى، α، الذي تم تحديده مسبقًا في قياس منفصل، في الحساب كمعامل إدخال معروف. وهذا يسمح بتحديد α || بدقة.
تستخدم العديد من أنظمة LFA التجارية حصريًا نماذج أحادية البعد لتقييم القياسات داخل المستوى. ونظرًا لأن هذه النماذج تصف فقط انتشار الحرارة على طول اتجاه مكاني واحد، فمن المستحيل التمييز بين الانتشار داخل المستوى وعبر المستوى منذ البداية. بالنسبة للمواد ذات التباين الواضح، مثل رقائق الجرافيت، يؤدي ذلك حتمًا إلى التقليل من قيمة الانتشار الحراري.
تأثير النموذج المختار على نتيجة القياس
يُظهر الشكل 3 الانتشار الحراري لرقائق الجرافيت عند درجة حرارة الغرفة في الاتجاهين العابر للمستوى والداخل للمستوى. يتم تقييم الانتشار الحراري العمودي على السطح (عبر المستوى) باستخدام النموذج القياسي، استنادًا إلى كيب ليمان [1]. وهذا أقل بمقدار مرتبتين من الانتشار الحراري داخل المستوى. لذلك يُستخدم النموذج المتعامد الخواص لتقييم القياس داخل المستوى. عند الفحص الدقيق، يكون التمييز بين السلوك متساوي الخواص والسلوك متباين الخواص في القياسات داخل المستوى مهمًا.
يوضح الشكل 4 هذا الأمر بوضوح. هنا، تم تقييم القياس على رقائق الجرافيت باستخدام كل من النموذج متساوي الخواص والنموذج متعامد الخواص. يعطي التقييم متساوي الخواص قيمًا أقل بكثير (-18% تقريبًا) ويظهر أيضًا ملاءمة منحنى أضعف بكثير.
الموصلية الحرارية كوظيفة لدرجة الحرارة واتجاه القياس
يوضح الشكل 5 الموصلية الحرارية لرقائق الجرافيت في الاتجاه العابر للمستوى والمستوى الداخلي من درجة حرارة الغرفة إلى 500 درجة مئوية. حُسبت الموصلية الحرارية باستخدام السعة الحرارية النوعية لرقائق الجرافيت POCO [2] والكثافة في درجة حرارة الغرفة. تنخفض الموصلية الحرارية مع زيادة درجة الحرارة في كلا الاتجاهين. الموصلية الحرارية داخل المستوى أعلى بكثير من الموصلية الحرارية عبر المستوى.
الملخص
وعند دمجها مع حوامل العينات المناسبة، يتيح تحليل الوميض الليزري تحديدًا موثوقًا للتوصيل الحراري المتباين الخواص لرقائق الجرافيت في كل من الاتجاه العابر للمستوى وداخل المستوى. ويكشف ذلك عن موصلية حرارية داخل المستوى أعلى بأضعاف، وهو أمر بالغ الأهمية للتوزيع الفعال للحرارة وتقليل النقاط الساخنة. ولضمان إجراء تقييم دقيق، من الضروري استخدام نموذج يأخذ في الحسبان تباين الخواص حيث أن المقاربات متساوية الخواص تقلل من تقدير الخصائص بشكل كبير.