Úvod
Vzhledem ke zvláštní struktuře práškových materiálů, např. CNT prášků, jsou jejich termofyzikální vlastnosti závislé nejen na teplotě, ale také na tlaku. NETZSCH proto vyvinul speciální tlakový držák vzorků, který umožňuje kalibraci tlaku až do 15 MPa a měření do 300 °C. Vzorek se měří mezi dvěma kovovými deskami. Měření se vyhodnocuje pomocí třívrstvého modelu, který je integrován do softwaru
Uhlíkové trubičky (CNT) mají jedinečné elektronické a mechanické vlastnosti spolu s neobvykle vysokou tepelnou vodivostí. Znalost tepelné difuzivity a tepelné vodivosti jsou rozhodujícími termofyzikálními parametry při použití CNT polymerů/CNT nanokompozitů. Obrázek 1 jasně ukazuje závislost hustoty na tepelné difuzivitě. Pro zlepšení podmínek měření těchto materiálů, ale i vláken, byl vyvinut speciální držák vzorků pro laserovou zábleskovou analýzu (LFA).
Tlakový držák vzorku
Tlakový držák vzorků (obrázek 2) byl navržen tak, aby bylo možné zkoumat vzorky v práškové formě. Dva hliníkové disky a přítlačný šroub umožňují stlačení držáku vzorků, které je třeba zkoumat. V následujícím textu jsou uvedena různá měření v závislosti na teplotě. Bude diskutována maximální doba měření a vliv držáku vzorků.
Obecné údaje:
- Objem, max: 0.maximální objem: 5 ml
- Rozsah krouticího momentu: minimálně 0,6 Nm
Příprava držáku vzorku:
- Hliníkové disky jsou z vnější strany potaženy grafitem
- Vložení hliníkového disku do držáku vzorku
- Naplnění vzorku práškem a vložení druhého hliníkového disku
- Použití krouticího momentu nejméně 0,6 Nm na přítlačný šroub pomocí krouticího momentu
- Stanovení tloušťky vzorku pomocí vnějšího mikrometru (Pozor: vrstva grafitu!)
Měření tepelné difuzivity dává následující výsledky (obrázek 3 a signál z detektoru na obrázku 4).
Vzhledem k chybějícím referenčním materiálům v práškové formě byly dodatečně zkoumány pevné vzorky. Vespel s nízkou tepelnou difuzivitou (tloušťka 2,0 mm) lze měřit při obvyklé době měření (10 poločasů) s ±5 % ve srovnání s literární hodnotou (0,249 mm²/s). Vliv doby měření na chybu měření je uveden v tabulce 1.
Sestava vzorku:
- Měření 1 až 5: standardní model, uvažuje se pouze vzorek bez hliníkových disků pro zkoumání vlivu držáku vzorku. Celková tloušťka: 2 mm
- Měření 6 až 8: třívrstvý systém, hliníkové disky byly uvažovány včetně tloušťky a termofyzikálních vlastností: Celková tloušťka: 4 mm
Výsledky měření a jejich hodnocení
Měření 1 až 5 (tabulka 1) ukazují, že vzorky s nízkou tepelnou difuzivitou (Vespel) lze při 25 °C měřit v toleranci ± 5 % ve srovnání s literárními hodnotami (Vespel při 25 °C: 0,249 mm²/s). Odchylky při měření po dobu 5 poločasů jsou nižší, což může pravděpodobně souviset s vnějšími tepelnými toky přes držák vzorku.
Lze předpokládat, že lze měřit vzorky prášku o maximální tloušťce 1 mm. U silnějších vzorků se zhoršuje poměr signál/šum a není možné generovat spolehlivé hodnoty měření. Pokud jde o výsledky závislé na teplotě grafitového prášku, je tato tolerance v rozmezí ± 10 % ve srovnání s literární hodnotou.
Velmi vysoké odchylky (měření 7 až 8) jsou způsobeny vlivem tepelného kontaktního odporu. Z tohoto důvodu byla provedena dodatečná měření kontaktního odporu, která byla zohledněna při vyhodnocení.
Tabulka 1: Vliv doby měření materiálu s nízkou tepelnou difuzivitou
# | Měření čas | Doba měření absolut/ms | Model | Naměřená hodnota/ mm²/s | Naměřená hodnota/mm²/s (5 půlnásobek) | Odchylka/% | Odchylka/% (5 půlnásobek) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 10 půlnásobek | 23000 | Standardní | 0.237 | 0.251 | -4.8 | 0.8 |
| 2 | 20 poločasů | 49000 | Standardní | 0.235 | 0.251 | -5.6 | 0.8 |
| 3 | 30 poločasů | 70000 | Standardní | 0.231 | 0.254 | -7.2 | 2.0 |
| 4 | 40 poločasů | 93000 | Standardní | 0.237 | 0.243 | -4.8 | -2.4 |
| 5 | Dlouhodobý sběr dat | 83000 | Standardní | 0.237 | 0.254 | -4.8 | 2.0 |
| 6 | 10 poločasů | 25000 | 3 vrstvy | 0.161 | >20 | ||
| 7 | 10 poloviční násobek | 30000 | třívrstvý (grafitové lepidlo) | 0.191 | -20 | ||
| 8 | 10 polovičních časů | 30000 | třívrstvý (WLP) | 0.214 | -14.1 |
Zohlednění kontaktního odporu
Měření č. 6 až 8 v tabulce 1 neuvažují kontaktní odpory. Odchylky vypočtených tepelných difuzivit jsou proto odpovídajícím způsobem vysoké. V případě č. 6 byla provedena dodatečná měření kontaktního odporu. Zohledněním kontaktního odporu se odchylka při použití dvou kovových disků bez teplovodivé pasty sníží na přibližně 11 %, jak ukazuje následující výpočet:
Pro posouzení tepelného toku přes držák vzorku byla provedena měření bez vzorku (obr. 5). Očekává se signál detektoru co nejblíže nulové linii, aby se vyloučily tepelné toky přes stěnu držáku vzorku. Prudký nárůst na začátku (vrchol) lze pravděpodobně vysvětlit přenosem tepla přes vrstvu vzduchu. Informace o tom by mohlo poskytnout měření ve vakuu. Nad 10000 ms lze rozpoznat další maximum. V dalším průběhu až do 40000 ms lze pozorovat mírný pokles k čáře 0. To naznačuje mírné vnější tepelné toky přes držák vzorku. S přihlédnutím k měření Vespelu s vyššími odchylkami nad dobou měření 1000 ms lze odvodit doporučení select tloušťky vrstvy práškových vzorků tak, aby doba měření (10 půlnásobek) nepřekročila hodnotu 1000 ms. Pokud to není možné, je třeba nastavit čas pro výpočet (nastavený rozsah pro výpočet) na max. 10000 ms. Nad 10000 ms se očekává překrývání zmíněného vnějšího tepelného toku, posunutí maxima signálu a tím i poločasu k vyšším hodnotám (= nižší 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).
Aby se zohlednil vliv kontaktního odporu, byla provedena dvouvrstvá měření (2 kovové desky na sobě). Zjištěný Kontaktní odporPodle druhého termodynamického zákona se přenos tepla mezi dvěma systémy vždy pohybuje ve směru od vyšších teplot k nižším. Množství tepelné energie přenášené vedením tepla, např. stěnou budovy, je ovlivněno tepelnými odpory betonové stěny a izolační vrstvy.kontaktní odpor byl poté použit pro korekci tepelné vodivosti (sečtení tepelných odporů). Je třeba zmínit, že následující kontaktní měření byla provedena se změněnou polohou kovových desek (změněná vzduchová mezera/kontakt). Pro držák tlakových vzorků byla odhadnuta nejistota měření 11 %.
Na obrázcích 6 až 12 jsou uvedeny související signály detektorů pro měření Vespel.
Souhrn
Pro přístroj LFA 467 HT HyperFlash je k dispozici speciální držák na práškové vzorky. Ten umožňuje měření pod mechanickým tlakem a vyžaduje vysoký stupeň přípravy vzorku. Při pečlivém výběru tloušťky vrstvy a nanesení grafitové vrstvy se dosáhne nejistoty měření ±5 %. Zkušební měření s referenčními vzorky (bez prášku) v držáku vzorků ukázala, že dodatečné kontaktní odpory mezi kovovými deskami a vzorkem mohou výrazně změnit výsledek.
Objednací čísla držitele vzorku
Držáky vzorků lze objednat pod následujícími objednacími čísly:
LFA 467: 6.257.1-91.9.00*
LFA 467 HT: LFA46700B96.020-00*
*Doporučení: Doporučení: Doba měření < 10000 ms.