Въведение
Графитните фолиа се използват в много технически приложения, където се изисква ефективно разсейване на топлината въпреки тънкостта на материала, например в електрониката, енергийните технологии и машиностроенето. Освен с високата си термична и химическа устойчивост, те се отличават и с ясно изразена анизотропна топлопроводимост.
Докато тяхната топлопроводимост перпендикулярно на равнината на фолиото (through-plane) е сравнително ниска, те показват много висока топлопроводимост в равнината (in-plane). Тези свойства до голяма степен са свързани с производството, например поради валцуването. Топлопроводимостта в равнината позволява бързо странично разпределение на топлината по повърхността на фолиото. Това е особено важно за намаляване на локалните горещи точки, тъй като позволява ефективно разсейване на локалните източници на топлина. По този начин графитните фолиа действат като топлоразпределители, като допринасят значително за топлинната стабилност и надеждността на съвременните технически системи.
През равнината срещу в равнината
Точното определяне на топлопроводимостта през равнината и в равнината е от основно значение за проектирането на много технически приложения. LFA (Laser Flash Analysis) може лесно и удобно да се справи с тази задача с помощта на подходящи държачи и модели за проби. Измерванията през равнината се извършват с помощта на държача за проби от фолио, който е оптимизиран за измерване на тънки проби (вж. фигура 1, вляво). Измерванията в равнината обаче се извършват с помощта на държача за проби в равнината (топлинен поток навътре); вж. фигура 1, дясно.
Измерванията в равнината се извършват перпендикулярно на повърхността на образеца. При измерванията в равнината се използва пръстеновидно осветяване на образеца, а повишаването на температурата се отчита в центъра на образеца. Това прави измервателния сигнал характерен за топлопроводимостта в равнината. На фигура 2 е показана скица, която илюстрира това.
Условия за измерване
Условията за измерване са описани подробно в таблица 1.
Таблица 1: Условия за измерване
| Система LFA | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Проба | Грапитно фолио |
| Дебелина на образеца | 500 μm |
| Плътност | ~ 1 g/cm³ от листа с данни |
| Специфичен топлинен капацитет | Литературни стойности от POCO графит [2] |
| Температурна програма | 25 до 500°C |
| Атмосфера | азот |
| Посока на измерване | през равнината и в равнината |
| Държач на пробата | през равнината → държач за проби за фолио в равнината → държач за проби в равнината (топлинен поток навътре) |
| Модели за оценка | през равнината → стандартен модел, базиран на Cape Lehman в равнината → ортотропен модел |
Ортотропен модел
За да се отчете ясно изразената анизотропия на графитните фолиа по време на оценката, ортотропният модел описва топлинната дифузия като величина, която зависи от посоката, с два независими компонента: един, който е перпендикулярен на равнината на образеца (α ), и един, който е в равнината (α||). Това е отразено директно в основното уравнение на топлопроводността.
Тук z означава посоката, перпендикулярна на повърхността на пробата (през равнината), а r - радиалната посока в равнината (в равнината). Вместо да се приема еднаква дифузионна способност във всички посоки, моделът включва независими стойности на параметрите α|| и α , което му позволява да отчита действителното разпространение на топлината в анизотропни материали. Когато се оценява измерване в равнината, дифузията през равнината, α , която преди това е била определена при отделно измерване, се включва в изчислението като известен входен параметър. Това позволява точното определяне на α||.
Много търговски системи за LFA използват изключително едноизмерни модели за оценка на измерванията в равнината. Тъй като тези модели описват разпространението на топлината само в една пространствена посока, от самото начало е невъзможно да се направи разграничение между равнинната и проходната дифузия. При материали с изразена анизотропия, като графитни фолиа, това неизбежно води до подценяване на топлинната дифузия.
Въздействие на избрания модел върху резултата от измерването
На фигура 3 е показана топлинната дифузия на графитното фолио при стайна температура в посока през равнината и в равнината. Топлинната дифузия перпендикулярно на повърхността (през равнината) се оценява със стандартния модел, базиран на Cape Lehman [1]. Тя е с два порядъка по-ниска от равнинната топлинна дифузия. Затова за оценка на измерването в равнината се използва ортотропният модел. При по-внимателно разглеждане разликата между изотропното и анизотропното поведение при измерванията в равнината е значителна.
Фигура 4 илюстрира това ясно. Тук измерването на графитното фолио се оценява, като се използва както изотропният, така и ортотропният модел. При изотропната оценка се получават значително по-ниски стойности (приблизително -18%), а също така се наблюдава значително по-лошо прилягане на кривата.
Топлопроводимост като функция на температурата и посоката на измерване
На фигура 5 е показана топлопроводимостта на графитното фолио в посока "през равнината" и "в равнината" от стайна температура до 500°C. Топлопроводимостта е изчислена, като е използван специфичният топлинен капацитет на POCO Graphite [2] и плътността при стайна температура. Топлопроводимостта намалява с увеличаване на температурата и в двете посоки. Топлинната проводимост в равнината е значително по-висока от топлинната проводимост през равнината.
Резюме
В комбинация с подходящи държачи за проби лазерният светкавичен анализ позволява надеждно определяне на силно анизотропната топлопроводимост на графитни фолиа както в посока през равнината, така и в посока в равнината. Това показва, че топлопроводимостта в равнината е с порядък по-висока, което е от решаващо значение за ефективното разпределение на топлината и намаляването на горещите точки. За да се осигури точна оценка, е важно да се използва модел, който отчита анизотропията, тъй като изотропните подходи значително подценяват свойствата.