نصائح وحيل
متى وكيف يجب طلاء العينات أثناء قياسات LFA وكيف يتم ذلك؟
تسمح طريقة تحليل الوميض بالليزر (LFA) بقياس سريع وسهل للانتشار الحراري لمجموعة متنوعة من المواد - من المعادن إلى البوليمرات إلى السيراميك.
من بيانات الانتشار الحراري والحرارة النوعية للمادة، يمكن حساب الموصلية الحرارية للمادة. في قياس LFA، يتم تسخين السطح الأمامي للعينة بواسطة مصباح وميض أو نبضة ليزر ويتم تسجيل الزيادة في درجة الحرارة على السطح الخلفي بواسطة كاشف الأشعة تحت الحمراء.
للحصول على إشارة كاشف جيدة، يجب أن تستوفي العينة بعض المعايير المهمة:
- يجب ألا تكون العينة شفافة في نطاق الطول الموجي المرئي والأشعة تحت الحمراء القريبة من الأشعة تحت الحمراء
- يجب ألا تعكس العينة الضوء
- يجب أن تتميز العينة بقدرة جيدة على الانبعاث والامتصاص
لا تستوفي جميع المواد هذه المعايير تلقائيًا. فالعديد من البوليمرات والنظارات تكون شفافة في نطاق الطول الموجي المرئي والأشعة القريبة من الأشعة تحت الحمراء. ومن ناحية أخرى، تكون المعادن عاكسة للضوء بدرجة عالية. بالإضافة إلى ذلك، تتميز معظم المواد بقدرة انبعاث/امتصاص منخفضة، مما يقلل من نسبة الإشارة إلى الضوضاء. في هذه الحالات، من أجل الحصول على إشارات جيدة، يتم طلاء العينات إما بالجرافيت أو رشها بالذهب. تصف هذه المقالة كيفية تطبيق الطلاء على العينات المختلفة والتأثيرات التي يمكن أن يحدثها الطلاء على نتيجة القياس.
متى يكون الطلاء مطلوباً؟
بشكل عام، يجب طلاء جميع العينات. يعمل الطلاء على تحسين خصائص انبعاث/امتصاص العينة، مما يؤدي إلى تحسين نسبة الإشارة إلى الضوضاء. يوضح الشكل أدناه إشارة العينة مع طلاء وبدون طلاء. تكون نسبة الإشارة إلى الضوضاء ودقة المنحنى أسوأ بكثير للعينة بدون طلاء.
لا يلزم طلاء سوى عدد قليل من العينات غير العاكسة وغير الشفافة (مثل البوليمرات المحتوية على الكربون). يظهر في الشكل أدناه إشارات عينة بوليمر تحتوي على الجرافيت مع طلاء الجرافيت وبدونه. نظرًا لأن هذه العينة ليست شفافة ولا تعكس، فإن كلتا الإشارتين متطابقتان تقريبًا ولا يلزم بالضرورة وجود طلاء لقياس الانتشار الحراري.
يعد الطلاء ضروريًا للغاية إذا كان سيتم قياس السعة الحرارية النوعية للعينة مقابل مرجع باستخدام LFA. تتطلب العينة والمرجع نفس قدرة الانبعاث/الامتصاص. ويمكن تحقيق ذلك عن طريق طبقة من الجرافيت.
ما الطلاء الذي يجب تطبيقه ومتى؟
الجرافيت هو الطلاء القياسي. يتم تطبيقه كرذاذ الجرافيت ويجف على العينة لتشكيل طبقة من الجرافيت.
بالنسبة للعينات الرقيقة والشفافة جدًا، على سبيل المثال، أغشية البولي إيثيلين PE، يمكن أن تكون طبقة الجرافيت سميكة جدًا مقارنةً بالعينة من أجل الحد من انتقال الضوء. من الأفضل في هذه الحالة رش طبقة ذهبية على العينة لجعلها غير شفافة. يجب بعد ذلك غبار العينة المطلية بالذهب بالجرافيت من أجل زيادة انبعاثية/امتصاصية الضوء.
في الحالات التي يحتمل أن يتفاعل فيها الكربون مع العينة، خاصةً في درجات الحرارة العالية (على سبيل المثال، بالنسبة للفولاذ)، قد يكون من الضروري استخدام طلاء مختلف. وغالباً ما يكون مجرد تخشين السطح، على سبيل المثال، عن طريق السفع الرملي أو الورق الكاشطة كافياً.
ما مدى سماكة الطلاء الذي يجب أن يوضع عليه الطلاء؟
بالنسبة لمعظم العينات، تكفي طبقة جرافيت متساوية تبلغ 50 ميكرومتر تقريبًا تغطي السطح تمامًا وليس لها تأثير على نتيجة القياس. يوضح الشكل أدناه العينة المعدنية قبل الطلاء بالجرافيت وبعده.
عند رش الذهب على عينات رقيقة جدًا، يجب تطبيق طبقة رقيقة من الذهب بسُمك يتراوح نانومتر فقط. الهدف هو القضاء على أي انتقال للضوء من خلال العينة. يمكن التحقق من كفاية طلاء الذهب في منع انتقال الضوء باستخدام مصدر ضوء قوي. يجب تكرار عملية الرش حتى لا يعود الضوء ينتقل من خلال العينة. يجب بعد ذلك غبار العينة المطلية بالذهب (وليس طلاءها) بالجرافيت بحيث تظل الطبقة الذهبية مرئية بوضوح. ويرد مثال أدناه.
كيف يؤثر الطلاء على نتيجة القياس الخاصة بي؟
لا يؤثر الطلاء المطبق بشكل صحيح على القياس. ومع ذلك، هناك بعض الاستثناءات القليلة حيث يجب تطبيق الطلاء بعناية خاصة لتجنب التأثير السلبي على القياس.
بالنسبة للمواد عالية التوصيل، مثل النحاس أو الألومنيوم، يمكن لطبقة الجرافيت السميكة للغاية أن تحول الانتشار الحراري للعينات إلى قيم أقل لأن الجرافيت موصل أقل. وفيما يلي مثال على ذلك.
في هذا المثال، أدى طلاء العينة النحاسية بطبقة من الجرافيت بسماكة عادية (حوالي 50 ميكرومتر) إلى انخفاض بنسبة 4% في الانتشار الحراري للنحاس عن قيمته الاسمية البالغة 117 مم²/ثانية. عندما تم تطبيق "غبار" صغير فقط من الجرافيت (انظر أدناه)، تم الحصول على قيم الانتشار الحراري الصحيحة (الرمز الأحمر في الرسم البياني).
من الممكن أيضًا تطبيق القليل جدًا من الجرافيت. يمكن أن يحدث هذا، على سبيل المثال، مع بعض البوليمرات. كما هو موضح في الجزء الأولي من منحنى ارتفاع درجة الحرارة في الشكل أدناه (أ)، إذا كان طلاء الجرافيت رقيقًا جدًا، يمكن أن يخترق الإشعاع الصادر من مصباح الضوء الوامض إلى الكاشف. في هذه الحالة، يُنصح بوضع طلاء سميك بما فيه الكفاية لمنع هذا الاختراق الضوئي، كما هو موضح في الشكل (ب).
بشكل عام، يجب أن تكون جميع العينات مطلية إلى حد ما قبل قياس LFA. واعتمادًا على نوع وسُمك المادة المراد اختبارها، على سبيل المثال، يمكن استخدام الذهب و/أو الجرافيت كمواد طلاء. غالبًا ما تكون طبقة الجرافيت البسيطة كافية. ويعتمد سمك طبقة الجرافيت التي يجب استخدامها على سمك العينة وتوصيلها وعلى ما إذا كان يتم تطبيق طلاء الذهب أم لا.
لمزيد من المعلومات، يرجى الاطلاع على الفيديو الخاص بنا.