Indledning
Varmestyring er et vigtigt emne inden for en lang række anvendelsesområder, og dets betydning vokser konstant. Dette gælder især for moderne elektroniske og optoelektroniske enheder med høj effekt (5G-applikationer, højhastighedsberegninger eller halvlederchips med høj effekt), som genererer betydelige mængder varme på ekstremt small e områder. For hurtigt at aflede varmen skal der placeres køleplader eller termiske belægninger af materialer med 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 ved varmekilden (f.eks. radiatorer, blæsere, køleplader osv.).
I søgen efter optimale materialekandidater har diamant vist sig at være en lovende løsning. Diamant er ikke blot et af de hårdeste materialer, der i øjeblikket produceres i industriel skala, men har også den højeste 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 af alle kendte naturlige materialer. Ved stuetemperatur kan dens 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 overstige 2000 W/(m·K), hvilket er cirka fire til fem gange højere end for kobber eller sølv. Kombineret med sin usædvanligt lave termiske udvidelseskoefficient og sine elektrisk isolerende egenskaber ved stuetemperatur er diamant et fremragende materiale til avancerede anvendelser inden for termisk styring. Når diamant anvendes til termisk styring, er det særligt afgørende at teste dens 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 nøjagtigt. Diamantens ultrahøje 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 og ekstremt høje optiske gennemsigtighed udgør betydelige udfordringer for præcise målinger af den termiske ydeevne. Derfor bliver valget af termiske testmetoder og instrumenter samt testteknikker lige så vigtigt.
I denne sammenhæng er Laser/Light Flash Analysis (LFA), en berøringsfri termisk måleteknik, særdeles velegnet til at vurdere varmeledningsevnen hos materialer med høj varmeledningsevne. Dette anvendelseseksempel vil primært præsentere metoden til test af prøver med høj varmeledningsevne og transparente prøver, såsom diamant, ved hjælp af NETZSCH LFA 717 HyperFlash® samt de eksperimentelle teknikker, der indgår i testprocessen.
Karakterisering på tværs af planet
Figur 1 viser resultaterne 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, Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet og varmeledningsevne for en diamantprøve med en tykkelse på 2,69 mm. Det fremgår, at prøvens termiske diffusivitet ved stuetemperatur er ca. 1100 mm²/s, mens dens varmeledningsevne ligger på omkring 2000 W/(m·K). Diamantprøvens varmeledningsevne falder hurtigt med stigende temperatur på grund af den kraftige stigning i fonon-fonon-spredning (Umklapp-processer) [1]. Ved 300 °C falder denne prøves varmeledningsevne til under 1000 W/(m·K), hvilket indikerer, at diamantens varmeledningsevne påvirkes betydeligt af temperaturændringer. Tabel 1 beskriver målebetingelserne i detaljer.
Tabel 1: Målebetingelser for LFA
| Prøve | Diamant |
|---|---|
| Prøveforberedelse | Forsprøjtet med guld og belagt med et tyndt grafitlag |
| Prøvestørrelse | 10 mm; tykkelse: 2,69 mm |
| Prøveholder | 4 prøver, firkantet spalte |
| Temperaturområde | Rumtemperatur til 500 °C |
| Atmosfære | Nitrogen |
| Impulsbredde | 50 μs |
| Model | Gennemsigtig |
Ved analyse af materialer med så 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 ved hjælp af LFA er det afgørende at minimere lyspulsens længde og energi for at opnå nøjagtige og pålidelige resultater ved den krævede temperatur. LFA 717 kombinerer en justerbar pulsbredde over et bredt område fra 10 til 1500 µs med en højfølsom detektor og en dataopsamlingsfrekvens på 2 MHz, hvilket sikrer en nøjagtig karakterisering af varmeledningsevnen, selv for diamantprøver.
Prøveforberedelse og dens indflydelse
Under LFA-test overtrækkes prøverne typisk med grafit for at forbedre deres overflades evne til at absorbere og udstråle lys, samtidig med at refleksionsevnen reduceres (se figur 2). For konventionelle prøver er grafitbelægningens indflydelse på resultaterne 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 ubetydelig. For diamant – især monokrystal-diamant med usædvanlig høj varmeledningsevne – kan grafitbelægningens indvirkning imidlertid ikke ignoreres. Overdreven tykke grafitbelægninger sænker den målte termiske diffusivitet betydeligt. Omvendt er en utilstrækkelig belægningstykkelse ikke i stand til fuldstændigt at absorbere lyskeglen, og lysgennemtrængning ind i prøven (på grund af diamantens høje lysgennemtrængelighed) forringer kvaliteten af detektorsignalet og dermed analysens nøjagtighed. En effektiv løsning på dette problem er påføring af et tyndt lag guldsputteret belægning på diamantprøvens overflade for at gøre den effektivt uigennemsigtig, efterfulgt af et tyndt lag grafitbelægning for at forbedre dens evne til at absorbere og udsende stråling.
Målinger på diamanter med forskellige belægninger
Tabel 2 viser den termiske diffusivitet for en enkeltkrystal-diamantprøve med en tykkelse på 1,948 mm, hvor virkningerne af fire overfladebelægningsmetoder sammenlignes: grafitbelægninger i et, to og tre lag samt guldsputtering efterfulgt af et tyndt lag grafit ved stuetemperatur. Det kan ses, at når grafit påføres direkte på prøven, øger hvert grafitlag prøvens tykkelse med ca. 10 μm. Prøvens tykkelse steg med ca. 30 μm, efter at der var påført tre lag grafit. Tilsvarende faldt diamantprøvens termiske diffusivitet i takt med stigende tykkelse af grafitbelægningen. Som forventet minimerer kombinationen af en tynd sputteret guldbelægning med et tyndt, ikke fuldstændigt grafitlag indflydelsen af den nødvendige overfladebelægning på analysen.
Tabel 2: 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 ved stuetemperatur og prøvetykkelse for diamantprøven efter overfladebelægning ifølge fire metoder. Oprindelig prøvetykkelse før belægning: 1,948 mm.
| Prøveforberedelse | Tykkelse (mm) | 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 (mm²/s) |
|---|---|---|
| Efter grafitbelægning | 1,960 | 1093,16 |
| To gange grafitbelagt | 1,969 | 1011,42 |
| 3 gange grafitbelagt | 1,978 | 731,84 |
| Sputteret guldlag + tynd grafitbelægning | 1,956 | 1223,25 |
For at verificere de opnåede resultater for varmeledningsevnen blev der analyseret to yderligere diamantprøver med forskellige tykkelser (0,915 og 3,001 mm). Overensstemmelsen mellem de termiske diffusivitetsværdier for alle tre prøver – alle omkring 1240 mm²/s med en standardafvigelse på under 3 % – understreger den høje reproducerbarhed af denne analyse, der blev udført med NETZSCH LFA 717 (se tabel 3). Bemærkelsesværdigt nok viste de detektorsignaler, der blev registreret for de tre prøver, fremragende overensstemmelse med de modeltilpassede kurver, som illustreret i figur 3.
Tabel 3: 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 for diamantprøver med forskellige tykkelser (med et tyndt lag af sputteret guld og et delvist grafitlag).
| Prøve | 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 (mm²/s) |
|---|---|
| Diamant-0,915 mm | 1225,25 |
| Diamant-1,948 mm | 1223,25 |
| Diamant-3,001 mm | 1277,61 |
Konklusion
De målinger, der er udført ved hjælp af LFA 717 HyperFlash®, viser, at systemet er særdeles velegnet til nøjagtig bestemmelse af de termiske egenskaber hos særdeles udfordrende materialer såsom diamant, der kombinerer ultrahøj varmeledningsevne med betydelig optisk gennemsigtighed. Resultaterne understreger, at der – når der anvendes passende overfladebehandling og evalueringsstrategier – kan opnås pålidelige og yderst reproducerbare data, selv under krævende måleforhold.
For sådanne prøver blev der anvendt en kombineret belægningsmetode – først guldsputtering efterfulgt af et tyndt grafitlag – for at sikre optimal signalkvalitet i kurverne for temperaturstigningen. Denne forberedelse muliggjorde stabil signaldetektion og forbedrede datakvaliteten betydeligt. Baseret på den resulterende signaladfærd blev den mest egnede evalueringsmodel (standard- eller transparentmodel) valgt, hvilket sikrede en nøjagtig bestemmelse af den termiske diffusivitet.
Samlet set viste LFA 717 sig at levere høj målenøjagtighed og robusthed, samtidig med at den tilbyder fleksible analysemuligheder, der muliggør pålidelig karakterisering af materialer med ekstreme termiske og optiske egenskaber.