Úvod
Grafitové fólie se používají v mnoha technických aplikacích, kde je i přes tenkost materiálu vyžadován účinný odvod tepla, například v elektronice, energetice a strojírenství. Kromě vysoké tepelné a chemické odolnosti se vyznačují výraznou anizotropní tepelnou vodivostí.
Zatímco jejich Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost kolmo k rovině fólie (průchozí rovina) je poměrně nízká, vykazují velmi vysokou tepelnou vodivost v rovině (v rovině). Tyto vlastnosti do značné míry souvisejí s výrobou, např. v důsledku válcování. Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost v rovině umožňuje rychlé boční rozložení tepla po povrchu fólie. To je důležité zejména pro snížení lokálních horkých míst, protože umožňuje účinně odvádět lokalizované zdroje tepla. Grafitové fólie tak fungují jako rozvaděče tepla a významně přispívají k tepelné stabilitě a spolehlivosti moderních technických systémů.
Letadlo v letadle vs. letadlo v letadle
Přesné určení tepelné vodivosti v rovině a v rovině má zásadní význam pro navrhování mnoha technických aplikací. LFA (Laser Flash Analysis) může tento úkol snadno a uživatelsky přívětivě zvládnout díky vhodným držákům a modelům vzorků. Měření v rovině se provádí pomocí fóliového držáku vzorků, který je optimalizován pro měření tenkých vzorků (viz obrázek 1 vlevo). Měření v rovině se však provádí pomocí držáku vzorků v rovině (tepelný tok směrem dovnitř); viz obrázek 1, vpravo.
Měření v rovině se provádí kolmo k povrchu vzorku. Při měření v rovině se používá prstencovité osvětlení vzorku, přičemž nárůst teploty se zjišťuje ve středu vzorku. Díky tomu je měřicí signál charakteristický pro vedení tepla v rovině. Obrázek 2 ukazuje náčrtek, který to ilustruje.
Podmínky měření
Podmínky měření jsou podrobně uvedeny v tabulce 1.
Tabulka 1: Podmínky měření
| Systém LFA | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Vzorek | Grafitová fólie |
| Tloušťka vzorku | 500 μm |
| HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. Hustota | ~ 1 g/cm³ z datového listu |
| Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.Měrná tepelná kapacita | Literární hodnoty z POCO grafitu [2] |
| Teplotní program | 25 až 500 °C |
| Atmosféra | dusík |
| Směr měření | průchozí a rovinné měření |
| Držák vzorku | průchozí → držák vzorku pro fólie v rovině → držák vzorku v rovině (tepelný tok dovnitř) |
| Vyhodnocovací modely | průchozí → standardní model založený na Lehmanově mysu v rovině → ortotropní model |
Ortotropní model
Aby bylo možné zohlednit výraznou anizotropii grafitových fólií při vyhodnocování, popisuje ortotropní model tepelnou difuzivitu jako veličinu závislou na směru se dvěma nezávislými složkami: jednou, která je kolmá k rovině vzorku (α ), a druhou, která je v rovině (α||). To se odráží přímo v základní rovnici vedení tepla.
Zde z označuje směr kolmý k povrchu vzorku (průchozí rovina) a r radiální směr v rovině (v rovině). Namísto předpokladu rovnoměrné difuzivity ve všech směrech model zahrnuje nezávislé hodnoty parametrů α|| a α , což mu umožňuje zohlednit skutečné šíření tepla v anizotropních materiálech. Při vyhodnocování měření v rovině se do výpočtu jako známý vstupní parametr zahrne difuzivita v rovině α , která byla předtím určena při samostatném měření. To umožňuje přesné určení α||.
Mnoho komerčních systémů LFA používá k vyhodnocení měření v rovině výhradně jednorozměrné modely. Protože tyto modely popisují pouze šíření tepla podél jednoho prostorového směru, není možné od počátku rozlišovat mezi difuzivitou v rovině a v rovině. U materiálů s výraznou anizotropií, jako jsou grafitové fólie, to nevyhnutelně vede k podhodnocení tepelné difuzivity.
Vliv zvoleného modelu na výsledek měření
Obrázek 3 ukazuje tepelnou difuzivitu grafitové fólie při pokojové teplotě v rovinném a průchozím směru. Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.Tepelná difuzivita ve směru kolmém k povrchu (průchozí rovina) je vyhodnocena pomocí standardního modelu podle Cape Lehmana [1]. Ta je o dva řády nižší než Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita v rovině. Pro vyhodnocení měření v rovině se proto používá ortotropní model. Při bližším zkoumání je rozdíl mezi izotropním a anizotropním chováním při měření v rovině významný.
Obrázek 4 to jasně ilustruje. Zde je měření na grafitové fólii vyhodnoceno pomocí izotropního i ortotropního modelu. Vyhodnocení izotropním modelem poskytuje výrazně nižší hodnoty (přibližně -18 %) a také vykazuje výrazně horší přizpůsobení křivce.
Tepelná vodivost jako funkce teploty a směru měření
Obrázek 5 ukazuje tepelnou vodivost grafitové fólie v rovinném a průchozím směru od pokojové teploty do 500 °C. Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost byla vypočtena pomocí měrné tepelné kapacity POCO grafitu [2] a hustoty při pokojové teplotě. Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost klesá s rostoucí teplotou v obou směrech. Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.Tepelná vodivost v rovině je výrazně vyšší než Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost v rovině.
Souhrn
V kombinaci s vhodnými držáky vzorků umožňuje laserová blesková analýza spolehlivé stanovení vysoce anizotropní tepelné vodivosti grafitových fólií v rovinném i průchozím směru. To odhalí řádově vyšší tepelnou vodivost v rovině, což je rozhodující pro efektivní distribuci tepla a snížení horkých míst. Pro přesné vyhodnocení je nezbytné použít model, který zohledňuje anizotropii, protože izotropní přístupy vlastnosti výrazně podhodnocují.