Introduktion
Kun flashsystemer med høj følsomhed, en passende pulsbredde og avanceret dataevaluering kan måle tynde, stærkt ledende materialer nøjagtigt. Den største udfordring ved måling af sådanne materialer er den ekstremt korte måletid. Det kræver både en høj dataindsamlingshastighed og en meget lav pulsbredde.
Kobber er et perfekt eksempel på dette. Med en tykkelse på 0,3 mm op til flere millimeter bruges det ofte som varmespreder, substratlag eller som en struktureret køleplade, hvor både lateral varmefordeling og pålidelig mekanisk integration er påkrævet. Typiske anvendelser kan findes inden for effektelektronik, batteriteknologi og samlinger under høj termisk StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning, hvor kompakt design og effektiv varmeafledning er afgørende.
Metode og målebetingelser
LFA 707 StratoFlash®Classic er udstyret med en laser, der opnår en høj energitæthed, hvilket især er nødvendigt ved høje temperaturer. Ved måling af tynde materialer er det dog vigtigt med et lavt energiinput for at forhindre skader og overophedning.
Takket være den justerbare pulsbredde og spænding kan LFA 707 StratoFlash®Classic tilpasse energitilførslen til målekravene. Detektoren har en dataindsamlingshastighed på 2 MHz, hvilket sikrer et tilstrækkeligt antal datapunkter selv ved de korteste måletider.
Målebetingelserne er beskrevet i tabel 1.
Tabel 1: Målebetingelser
| Materiale | Rent kobber |
| Tykkelse | 0.32 mm til 4 mm |
| Prøveholder | Ø 12,7 mm |
| Temperatur | Rumtemperatur |
| Pulsbredde | 100 til 600 μs |
| Model | Standardmodel, baseret på Cape Lehmann med pulskorrektion |
Måleresultater og diskussion
Figur 1 viser den termiske diffusivitet for kobber i forskellige tykkelser fra 0,32 mm op til 4 mm. Alle resultater ligger inden for ±2,5 % sammenlignet med litteraturværdien på ca. 117 mm²/s ved stuetemperatur [1].
Pulslængden blev justeret i henhold til tykkelsen og måletiden og varierede fra 100 μs til 600 μs. Halveringstiden (t1/2) varierede over to størrelsesordener fra ca. 210 μs for prøven på 0,32 mm til 24 ms for den tykkeste prøve på 4 mm.
Figur 2 viser signalerne for prøverne med minimal og maksimal tykkelse. Signal/støj-forholdet for begge målinger er ikke ideelt. Det skyldes det lave energiinput, der bruges til at forhindre overophedning, og at målingerne udføres ved stuetemperatur. Ikke desto mindre passer den matematiske model perfekt til dataene, hvilket er afgørende for at opnå meget nøjagtige resultater. I laserblitzanalyse er de matematiske modeller, der bruges til at bestemme den termiske diffusivitet, baseret på den analytiske løsning af varmeledningsligningen under antagelse af et øjeblikkeligt energiinput (Dirac-puls). I virkeligheden har laserpulsen dog altid en begrænset varighed. For prøver med en relativt lang måletid er pulsvarigheden typisk meget kortere end den karakteristiske måletid, hvilket gør afvigelser fra den ideelle antagelse ubetydelige (figur 2: 4 mm kobber).
For meget ledende materialer som kobber, især ved måling af tynde prøver, sker den termiske respons inden for meget kort tid. I sådanne tilfælde er pulsvarigheden af samme størrelsesorden som prøvens karakteristiske diffusionstid (figur 2: 0,32 mm kobber). Dette fører til et overlap mellem opvarmningsfasen og prøvens termiske respons, hvilket kan forvrænge temperaturkurven og dermed den beregnede termiske diffusivitet.
Pulskorrektion
For at tage højde for denne effekt anvender analysesoftwaren NETZSCH LFA Proteus® automatisk den eksponentielle pulskorrektion [2]. I stedet for at antage en øjeblikkelig energitilførsel tages laserpulsens reelle signal i betragtning under evalueringen. Dette opnås ved at inkorporere pulssignalet gennem konvolution, hvilket gør det muligt at tage højde for det tidsafhængige varmeinput i beregningen af temperaturresponsen. På denne måde afspejler den evaluerede termiske diffusivitet de faktiske eksperimentelle forhold snarere end en idealiseret øjeblikkelig puls.
Ved at tage højde for den faktiske pulsform under evalueringen forbedrer pulskorrektionen nøjagtigheden af bestemmelsen af den termiske diffusivitet for tynde og meget ledende prøver betydeligt. Dette bliver stadig vigtigere, når prøvetykkelsen mindskes, og den termiske diffusivitet øges.
Ved ekstremt korte måletider og dermed også ekstremt kort t1/2 er en robust og præcis pulskorrektion den vigtigste analysefunktion. Dette er demonstreret i figur 3. Som i figur 1 repræsenterer de blå prikker den termiske diffusivitet af kobber med forskellige tykkelser. I dette tilfælde blev pulskorrektionen brugt til evaluering. De orange trekanter repræsenterer de samme målinger, men evalueringen blev udført uden pulskorrektion. Når prøvetykkelsen mindskes - hvilket resulterer i kortere måletider - øges fejlene forårsaget af pulsoverlapning.
Konklusion
Resultaterne viser, at selv tynde, meget ledende kobberprøver med ekstremt korte termiske responstider kan måles nøjagtigt ved hjælp af LFA 707 StratoFlash®Classic . Kombinationen af justerbar pulskontrol, højhastighedsdataindsamling og avanceret pulskorrektion sikrer pålidelige resultater for Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet, selv under krævende måleforhold. Det gør LFA 707 StratoFlash®Classic til en effektiv løsning til karakterisering af materialer med meget høj Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet