Въведение
Поради специалната структура на прахообразните материали, например CNT праховете, техните термофизични свойства зависят не само от температурата, но и от налягането. NETZSCH затова разработи специален държач за проби под налягане, който позволява калибрирано налягане до 15 MPa и измервания до 300°C. Пробата се измерва между две метални плочи. Измерването се оценява с помощта на трислойния модел, който е интегриран в софтуера
Въглеродните тръби (CNT) се отличават с уникални електронни и механични свойства, както и с необичайно висока топлопроводимост. Познаването на топлинната дифузия и топлопроводимостта са решаващи термофизични параметри при използването на CNT полимери/CNT нанокомпозити. Фигура 1 ясно показва зависимостта на плътността от термичната дифузия. За да се подобрят условията за измерване на такива материали, но също и на влакна, е разработен специален държач за проби за лазерни светкавични анализи (LFA).
Държач за проба под налягане
Държачът за проби под налягане (фигура 2) е проектиран така, че да може да изследва проби в прахообразна форма. Два алуминиеви диска и винт за налягане позволяват да се изследва компресирането на държача за проби. По-долу са показани различни измервания като функция на температурата. Ще бъдат разгледани максималното време за измерване и влиянието на държача на пробите.
Общи данни:
- Обем, максимален: 0.5 ml
- Обхват на въртящия момент: най-малко 0,6 Nm
Подготовка на държача за проби:
- Покриване на алуминиевите дискове с графит от външната страна
- Поставяне на алуминиев диск в държача за проби
- Напълване на пробата с прах и поставяне на втори алуминиев диск
- Прилагане на въртящ момент от най-малко 0,6 Nm върху притискащия винт с помощта на въртящ момент
- Определяне на дебелината на образеца с помощта на външен микрометър (Внимание: графитен слой!)
Измерванията на топлинната дифузия дават следните резултати (фигура 3, както и сигналът от детектора на фигура 4).
Поради липса на референтни материали в прахообразна форма, допълнително бяха изследвани твърди проби. Vespel с ниска термична дифузия (дебелина 2,0 mm) може да бъде измерена при обичайното време за измерване (10 полукратни времена) с ±5 % в сравнение с литературната стойност (0,249 mm²/s). Влиянието на времето на измерване върху грешката на измерване е показано в таблица 1.
Поставяне на образеца:
- Измервания от 1 до 5: стандартен модел, разглеждане само на образеца без алуминиеви дискове за изследване на влиянието на държача на образеца. Обща дебелина: 2 mm
- Измервания от 6 до 8: трислойна система, разглеждат се алуминиеви дискове, включително дебелината и термофизичните свойства: Обща дебелина: 4 mm
Резултати от измерванията и тяхната оценка
Измерванията от 1 до 5 (таблица 1) показват, че образците с ниска термична дифузия (Vespel) могат да бъдат измерени при 25°C в рамките на допустимото отклонение от ± 5% в сравнение с литературните стойности (Vespel при 25°C: 0,249 mm²/s). Отклоненията при време на измерване от 5 половини пъти са по-малки, което вероятно може да бъде свързано с външните топлинни потоци през държача на пробата.
Може да се приеме, че могат да се измерват прахови проби с максимална дебелина до 1 mm. При по-дебели проби съотношението сигнал/шум се влошава и не е възможно да се генерират надеждни стойности на измерванията. По отношение на резултатите, зависещи от температурата на графитния прах, този толеранс е в рамките на ± 10 % в сравнение с литературната стойност.
Много големите отклонения (измервания 7-8) се дължат на влиянието на термичното контактно съпротивление. Поради тази причина са извършени допълнителни измервания на контактното съпротивление, които са взети предвид при оценката.
Таблица 1: Влияние на времето за измерване на материал с ниска термична дифузия
# | Измерване време | Време на измерване абсолют/ms | Модел | Измерена стойност/ mm²/s | Измерена стойност/mm²/s (5 половин пъти) | Отклонение/% | Отклонение/% (5 половин пъти) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 10 половин пъти | 23000 | Стандарт | 0.237 | 0.251 | -4.8 | 0.8 |
| 2 | 20 полувремена | 49000 | Стандартен | 0.235 | 0.251 | -5.6 | 0.8 |
| 3 | 30 полувремена | 70000 | Стандартен | 0.231 | 0.254 | -7.2 | 2.0 |
| 4 | 40 полувремена | 93000 | Стандартен | 0.237 | 0.243 | -4.8 | -2.4 |
| 5 | Продължително събиране на данни | 83000 | Стандартен | 0.237 | 0.254 | -4.8 | 2.0 |
| 6 | 10 полувремена | 25000 | 3-слоен | 0.161 | >20 | ||
| 7 | 10 половин пъти | 30000 | 3-слоен (графитно лепило) | 0.191 | -20 | ||
| 8 | 10 полувремена | 30000 | 3-слоен (WLP) | 0.214 | -14.1 |
Съобразяване с контактното съпротивление
При измерванията от № 6 до № 8 в таблица 1 не се отчитат контактните съпротивления. Поради това отклоненията в изчислените топлинни дифузии са съответно големи. В случай на № 6 са извършени допълнителни измервания на контактното съпротивление. Като се вземе предвид контактното съпротивление, отклонението се намалява до приблизително 11 % при използването на два метални диска без паста за топлопроводимост, както се вижда от следното изчисление:
За да се оцени топлинният поток през държача на пробата, бяха извършени измервания без проба (фигура 5). Очаква се сигналът на детектора да е възможно най-близо до нулевата линия, за да се изключат топлинните потоци през стената на държача за проби. Рязкото нарастване в началото (пик) вероятно може да се обясни с преноса на топлина през въздушния слой. Измерванията във вакуум биха могли да дадат информация по този въпрос. Над 10000 ms може да се разпознае друг максимум. В по-нататъшния ход до 40000 ms може да се наблюдава леко намаляване до линията 0. Това показва леки външни топлинни потоци през държача на пробата. Като се вземе предвид измерването на Vespel с по-големи отклонения над времето за измерване от 1000 ms, може да се изведе препоръката да се select дебелината на слоя на прахообразните проби по такъв начин, че времето за измерване (10 половин пъти) да не надвишава стойността от 1000 ms. Ако това не е възможно, времето за изчисление (зададен обхват за изчисление) трябва да се настрои на макс. 10000 ms. Над 10000 ms се очаква припокриване на споменатия външен топлинен поток, като се очаква изместване на максимума на сигнала, а оттам и на времето за половин измерване към по-високи стойности (= по-ниска топлинна дифузия).
За да се отчете влиянието на контактното съпротивление, са проведени двуслойни измервания (2 метални пластини една върху друга). Определеното контактно съпротивление се използва за корекция на топлопроводимостта (добавяне на термичните съпротивления). Трябва да се спомене, че следните контактни измервания са извършени с променено положение на металните дискове (променена въздушна междина/контакт). За държача за проби под налягане е изчислена неопределеност на измерването от 11 %.
На фиг. 6-12 са показани свързаните сигнали от детектора за измерванията на Vespel.
Резюме
За LFA 467 HT HyperFlash, се предлага специален държач за прахови проби. Това позволява измервания под механично налягане и изисква висока степен на подготовка на пробата. При внимателен избор на дебелината на слоя и нанасяне на графитния слой ще се постигне неопределеност на измерването от ± 5 %. Тестовите измервания с еталонни проби (без прах) в държача за проби показват, че допълнителните контактни съпротивления между металните пластини и пробата могат значително да променят резултата.
Номера на поръчката на притежателя на пробата
Държачите за мостри могат да бъдат поръчани под следните номера за поръчка:
LFA 467: 6.257.1-91.9.00*
LFA 467 HT: LFA46700B96.020-00*
*Препоръка: Време за измерване < 10000 ms.