Въведение
Ефективното разсейване на топлината е от решаващо значение в областта на високопроизводителната електроника и оптоелектрониката, където възникват високи топлинни натоварвания в много ограничени пространства.
Диамантът е особено подходящ за такива приложения, тъй като съчетава изключителна твърдост с най-високата топлопроводимост сред всички естествено срещащи се материали, надхвърляща 2000 W/(m·K) при стайна температура. Ниското му термично разширение и електрическата му изолация допълнително подкрепят използването му в изискващи концепции за охлаждане.
Точното измерване на топлинната проводимост на диаманта обаче остава предизвикателство поради изключителната му способност за пренос на топлина и оптична прозрачност, което прави избора на метод, уред и процедура от решаващо значение.
Разширени изпитвания в равнината
При измерване на топлинната дифузия на диаманта в посока, перпендикулярна на равнината, обикновено се поставят конкретни изисквания към дебелината на пробата [1].
Когато пробата е много тънка, преносът на топлина се осъществява в изключително кратко време. Това прави високата времева разделителна способност особено важна за получаването на висококачествен сигнал от детектора. Въпреки че импулси с продължителност от едва 10 µs подпомагат по-доброто улавяне на сигнала, тесният прозорец за измерване може да увеличи сложността на разделянето на сигнала и пригаждането на кривата. При подходящо отчитане на тези фактори все пак могат да се постигнат надеждни изчисления.
Като пример ще вземем системата „ NETZSCH “ LFA 717 HyperFlash®, при която честотата на събиране на данни от детектора е 2 MHz, което дава времеви интервал от 0,5 μs между съседни точки на данните. Съгласно стандарта ASTM E1461 обикновено се изисква записването на най-малко 100 точки на данни до половината време (t₁/₂). За прозрачни диамантени проби с изключително висока топлинна проводимост обаче се препоръчват 250 точки на данни, което води до минимално време на полуразпадане (t₁/₂) от 0,125 ms. Минималната дебелина на пробата, подходяща за изпитване (dₘᵢₙ), може да бъде приблизително изчислена с помощта на формулата на Паркър, където α е топлинната дифузия в посока, перпендикулярна на равнината на пробата:
За монокристален диамант с α около 1000 мм²/с се препоръчва дебелината на пробата да не е по-малка от 0,95 мм, за да се гарантира достатъчна точност на изпитването. Въпреки че проби с дебелина малко по-малка от тази стойност са допустими, качеството на сигнала ще се влоши – например, съотношението сигнал/шум ще намалее.
Ако дебелината на пробата е значително по-малка от тази препоръчителна дебелина, как трябва да се измери топлинната дифузия?
В такива случаи пробата може да бъде изследвана с помощта на държач в равнината (фиг. 1), който създава по-дълъг път на топлоразпространение в пробата, за да се измери топлинната проводимост в равнината.
В таблица 1 са обобщени резултатите за топлинната дифузия в равнината, получени за диамантена проба с дебелина 0,638 mm при използване на държач за проби в равнината. Измерванията бяха проведени при стайна температура. Беше определена средна топлинна дифузия в равнината от 1126,6 mm²/s със стандартно отклонение от 8,6 mm²/s. Малкото разсейване на отделните измервания показва отлична повторяемост на измерването. Измерената стойност в равнината съответства на диапазона на дифузивност, наблюдаван при сравними диамантени проби, анализирани в посока през равнината в Приложение 438. Това съответствие потвърждава, че конфигурацията на LFA в равнината е подходяща за характеризиране на материали с много висока топлинна дифузивност.
Съответната крива на повишаване на температурата е представена на фигура 2. Измереният сигнал показва рязко нарастване веднага след светлинния импулс, последвано от постепенно затихване. Много доброто съответствие между експерименталната крива и кривата на приспособения модел показва, че избраният модел на топлинния поток в равнината точно отразява термичната реакция на диамантената проба. Стабилното качество на пригаждането и ниската неточност на измерването потвърждават надеждността на получената стойност на дифузивността в равнината.
Заключение
Резултатите ясно показват, че методът LFA е подходящ за изследване на материали с висока топлопроводимост в посока по равнината. Дори при диаманта, който се характеризира с много бързо разпространение на топлината, измерването по равнината даде високо възпроизводими и надеждни резултати.
Средната топлинна дифузия в равнината от 1126,6 mm²/s, съчетана с относително стандартно отклонение от приблизително 0,76 %, потвърждава стабилността на измервателния подход. Отличното съответствие между измерената крива на температурното повишение и приспособения модел допълнително подкрепя валидността на приложената оценка в равнината.
Следователно LFA-анализът в равнината представлява ценен метод за определяне на свойствата на насочения топлинен транспорт, особено при тънки и силно проводими материали. С подходящ държач за проби, подходящи параметри на измерване и специален модел за оценка в равнината могат да се получат надеждни данни за топлинната дифузия в равнината.
Тези надеждни стойности подпомагат избора на материали, термичното проектиране и точността на симулациите, като спомагат за намаляване на локалното прегряване и подобряват експлоатационните характеристики и експлоатационния срок на компонентите.