Въведение
Само светкавични системи с висока чувствителност, подходяща широчина на импулса и усъвършенствана оценка на данните могат да измерват точно тънки, силно проводими материали. Най-голямото предизвикателство при измерването на такива материали е изключително краткото време за измерване. Това изисква както висока скорост на събиране на данни, така и много малка широчина на импулса.
Медта е идеален пример за това. С дебелина от 0,3 mm до няколко милиметра тя често се използва като топлоразпределител, слой на подложката или като структурирана охлаждаща плоча, където се изисква както странично разпределение на топлината, така и надеждна механична интеграция. Типични приложения могат да се намерят в силовата електроника, технологиите за батерии и възли, подложени на високи термични натоварвания, където компактният дизайн и ефективното разсейване на топлината са от решаващо значение.
Метод и условия на измерване
LFA 707 StratoFlash®Classic е оборудван с лазер, който постига висока плътност на енергията, което е особено необходимо при високи температури. При измерване на тънки материали обаче е необходимо да се въведе ниска енергия, за да се предотвратят повреди и прегряване.
Благодарение на регулируемата ширина на импулса и напрежение LFA 707 StratoFlash®Classic може да адаптира входящата енергия към изискванията за измерване. Детекторът разполага със скорост на събиране на данни от 2 MHz, което осигурява достатъчен брой точки данни дори при най-краткото време за измерване.
Условията за измерване са описани подробно в таблица 1.
Таблица 1: Условия за измерване
| Материал | Чиста мед |
| Дебелина | 0.32 mm до 4 mm |
| Държач на пробата | Ø 12,7 mm |
| Температура | Стайна температура |
| Ширина на импулса | 100 до 600 μs |
| Модел | Стандартен модел, базиран на Cape Lehmann с корекция на импулсите |
Резултати от измерванията и обсъждане
На фигура 1 е представена топлинната дифузия на мед с различни дебелини, вариращи от 0,32 mm до 4 mm. Всички резултати са в рамките на ±2,5 % в сравнение с литературната стойност от около 117 mm²/s при стайна температура [1].
Дължината на импулса се регулира в зависимост от дебелината и времето на измерване, като варира от 100 μs до 600 μs. Времето на полупродължителност (t1/2) варираше в два порядъка от приблизително 210 μs за пробата с дебелина 0,32 mm до 24 ms за най-дебелата проба с дебелина 4 mm.
На фигура 2 са показани сигналите за образците с минимална и максимална дебелина. Съотношението сигнал/шум и при двете измервания не е идеално. Това се дължи на ниския приток на енергия, използван за предотвратяване на прегряването, и на това, че измерванията се извършват при стайна температура. Въпреки това математическият модел пасва идеално на данните, което е от решаващо значение за постигането на много точни резултати. При анализа на лазерни светкавици математическите модели, използвани за определяне на топлинната дифузия, се основават на аналитичното решение на уравнението за топлопроводност, като се приема, че се въвежда мигновена енергия (импулс на Дирак). В действителност обаче лазерният импулс винаги има крайна продължителност. За образци с относително дълго време за измерване продължителността на импулса обикновено е много по-малка от характерното време за измерване, което прави отклоненията от идеалното допускане пренебрежими (фигура 2: 4 mm мед).
При високопроводими материали като медта, особено при измерване на тънки образци, топлинната реакция настъпва за много кратко време. В такива случаи продължителността на импулса е от същия порядък като характерното време на дифузия на пробата (фигура 2: 0,32 mm мед). Това води до припокриване между фазата на нагряване и термичната реакция на образеца, което може да изкриви температурната крива и съответно изчислената термична дифузия.
Корекция на импулсите
За да се отчете този ефект, софтуерът за анализ NETZSCH LFA Proteus® автоматично прилага експоненциална корекция на импулсите [2]. Вместо да се приема, че енергията се подава мигновено, по време на оценката се отчита реалният сигнал на лазерния импулс. Това се постига чрез включване на импулсния сигнал чрез конволюция, което позволява при изчисляването на температурната характеристика да се вземе предвид зависимата от времето топлинна мощност. По този начин оценената топлинна дифузия отразява действителните експериментални условия, а не идеализиран мигновен импулс.
Чрез отчитане на действителната форма на импулса по време на оценката, корекцията на импулса значително подобрява точността на определяне на топлинната дифузия за тънки и силно проводими образци. Това става все по-важно с намаляването на дебелината на образеца и увеличаването на топлинната дифузия.
За изключително кратки времена на измерване, а оттам и за изключително кратки t1/2, стабилната и прецизна корекция на импулса е най-важната анализираща характеристика. Това е показано на фигура 3. Както и на фигура 1, сините точки представляват термичната дифузия на мед с различни дебелини. В този случай за оценка е използвана импулсната корекция. Оранжевите триъгълници представляват същите измервания, но оценката е извършена без импулсна корекция. Намаляването на дебелината на пробата - което води до по-кратко време за измерване - води до увеличаване на грешките, причинени от припокриването на импулсите.
Заключение
Резултатите показват, че с помощта на LFA 707 StratoFlash®Classic могат да бъдат точно измерени дори тънки, високопроводими медни образци с изключително кратко време на термична реакция. Комбинацията от регулируем контрол на импулсите, високоскоростно събиране на данни и усъвършенствана корекция на импулсите осигурява надеждни резултати за топлинната дифузия дори при взискателни условия на измерване. Това превръща LFA 707 StratoFlash®Classic в мощно решение за характеризиране на материали с много висока термична дифузионност