Laserblitzanalyse gør varmeoverførsel i anisotropiske materialer målbar

Introduktion

Grafitfolier bruges i mange tekniske anvendelser, hvor effektiv varmeafledning er påkrævet på trods af materialets tyndhed, f.eks. inden for elektronik, energiteknologi og maskinteknik. Ud over deres høje termiske og kemiske modstandsdygtighed er de kendetegnet ved deres udprægede anisotropiske Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne.

Mens deres Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne vinkelret på folieplanet (through-plane) er forholdsvis lav, har de en meget høj Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne i planet (in-plane). Disse egenskaber er i høj grad produktionsrelaterede, f.eks. på grund af valsning. Varmeledningsevnen i planet muliggør en hurtig lateral varmefordeling på tværs af folieoverfladen. Dette er især vigtigt for at reducere lokale hotspots, da det gør det muligt at sprede lokale varmekilder effektivt. Grafitfolier fungerer således som varmespredere og bidrager væsentligt til den termiske stabilitet og pålidelighed i moderne tekniske systemer.

Gennem flyet vs. i flyet

Nøjagtig bestemmelse af varmeledningsevnen gennem og i planet er af central betydning for design af mange tekniske applikationer. LFA (Laser Flash Analysis) kan nemt og brugervenligt håndtere denne opgave med egnede prøveholdere og modeller. Målinger gennem planet udføres ved hjælp af folieprøveholderen, som er optimeret til måling af tynde prøver (se figur 1 til venstre). In-plane-målinger udføres derimod ved hjælp af in-plane-prøveholderen (varmestrøm indad); se figur 1, højre.

Målinger gennem planet udføres vinkelret på prøveoverfladen. Målinger i planet bruger ringformet belysning af prøven, mens temperaturstigningen registreres i midten af prøven. Dette gør målesignalet karakteristisk for varmeledning i planet. Figur 2 viser en skitse, der illustrerer dette.

Målebetingelser

Målebetingelserne er beskrevet i tabel 1.

Tabel 1: Målebetingelser

Ortotropisk model

For at tage højde for den udprægede anisotropi af grafitfolier under evalueringen beskriver den ortotrope model den termiske diffusivitet som en størrelse, der afhænger af retningen, med to uafhængige komponenter: en, der er vinkelret på prøveplanet (α ), og en, der er i planet (α||). Dette afspejles direkte i den underliggende varmeledningsligning.

Her angiver z retningen vinkelret på prøveoverfladen (gennem planet) og r den radiale retning i planet (i planet). I stedet for at antage ensartet diffusivitet i alle retninger indeholder modellen uafhængige parameterværdier for α|| og α , hvilket gør det muligt at tage højde for den faktiske varmeudbredelse i anisotrope materialer. Når man evaluerer en måling i planet, indarbejdes diffusiviteten gennem planet, α , som tidligere blev bestemt i en separat måling, i beregningen som en kendt inputparameter. Det gør det muligt at bestemme α|| præcist.

Mange kommercielle LFA-systemer bruger udelukkende endimensionelle modeller til at evaluere in-plane-målinger. Da disse modeller kun beskriver varmeudbredelsen langs en enkelt rumlig retning, er det umuligt at skelne mellem diffusiviteten i planet og gennem planet fra starten. For materialer med udtalt anisotropi, som f.eks. grafitfolier, fører dette uundgåeligt til en undervurdering af den termiske diffusivitet.

Den valgte models indvirkning på måleresultatet

Figur 3 viser grafitfoliens termiske diffusivitet ved stuetemperatur i retningerne gennem planet og i planet. Den termiske diffusivitet vinkelret på overfladen (gennemgående plan) er vurderet med standardmodellen, baseret på Cape Lehman [1]. Dette er to størrelsesordener lavere end den termiske diffusivitet i planet. Den ortotrope model bruges derfor til at evaluere målingen i planet. Ved nærmere undersøgelse er forskellen mellem isotropisk og anisotropisk opførsel i målinger i planet betydelig.

Figur 4 illustrerer dette tydeligt. Her er målingen på grafitfolien evalueret ved hjælp af både den isotropiske og den ortotropiske model. Den isotrope evaluering giver betydeligt lavere værdier (ca. -18 %) og viser også en betydeligt dårligere kurvetilpasning.

Varmeledningsevne som funktion af temperatur og måleretning

Figur 5 viser grafitfoliens Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne i gennemgående plan og i plan retning fra stuetemperatur til 500 °C. Varmeledningsevnen blev beregnet ved hjælp af den specifikke varmekapacitet for POCO-grafit [2] og densiteten ved stuetemperatur. Varmeledningsevnen falder med stigende temperatur i begge retninger. Varmeledningsevnen i planet er betydeligt højere end varmeledningsevnen gennem planet.

Sammenfatning

I kombination med egnede prøveholdere giver laserblitzanalyse mulighed for pålidelig bestemmelse af grafitfoliers stærkt anisotrope varmeledningsevne i både gennemgående og indadgående retning. Dette afslører en varmeledningsevne i planet, der er størrelsesordener højere, hvilket er afgørende for en effektiv fordeling af varmen og reduktion af hotspots. For at sikre en nøjagtig evaluering er det vigtigt at bruge en model, der tager højde for anisotropi, da isotropiske tilgange undervurderer egenskaberne betydeligt.