Εισαγωγή
Λόγω της ειδικής δομής των υλικών σε σκόνη, π.χ. των σκονών CNT, οι θερμοφυσικές τους ιδιότητες εξαρτώνται όχι μόνο από τη θερμοκρασία αλλά και από την πίεση. NETZSCH ανέπτυξε επομένως μια ειδική θήκη δειγμάτων πίεσης που επιτρέπει calibrated πιέσεις έως 15 MPa και μετρήσεις έως 300°C. Το δείγμα μετράται μεταξύ δύο μεταλλικών πλακών. Η μέτρηση αξιολογείται με τη χρήση του μοντέλου 3 στρωμάτων που είναι ενσωματωμένο στο λογισμικό
Οι σωλήνες άνθρακα (CNT) διαθέτουν μοναδικές ηλεκτρονικές και μηχανικές ιδιότητες μαζί με ασυνήθιστα υψηλή θερμική αγωγιμότητα. Η γνώση της θερμικής διαχυτότητας και της θερμικής αγωγιμότητας αποτελούν κρίσιμες θερμοφυσικές παραμέτρους κατά τη χρήση νανοσύνθετων υλικών CNT πολυμερών/CNT. Στο Σχήμα 1 φαίνεται καθαρά η εξάρτηση της πυκνότητας από τη θερμική διαχυτότητα. Για τη βελτίωση των συνθηκών μέτρησης για τέτοια υλικά αλλά και για ίνες, αναπτύχθηκε μια ειδική υποδοχή δείγματος για αναλύσεις με λέιζερ (LFA).
Στήριγμα δείγματος πίεσης
Η υποδοχή δείγματος υπό πίεση (σχήμα 2) σχεδιάστηκε για να μπορεί να διερευνά δείγματα σε μορφή σκόνης. Δύο δίσκοι αλουμινίου και ένας κοχλίας πίεσης επιτρέπουν τη συμπίεση της θήκης δείγματος για τη διερεύνηση. Στη συνέχεια παρουσιάζονται διάφορες μετρήσεις σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία. Θα συζητηθεί ο μέγιστος χρόνος μέτρησης και η επίδραση του υποδοχέα δείγματος.
Γενικά στοιχεία:
- Όγκος, μέγιστο: 0.5 ml
- Εύρος ροπής: τουλάχιστον 0,6 Nm
Προετοιμασία της υποδοχής δείγματος:
- Επίστρωση των δίσκων αλουμινίου με γραφίτη εξωτερικά
- Εισαγωγή ενός δίσκου αλουμινίου στον υποδοχέα δείγματος
- Πλήρωση του δείγματος με σκόνη και εισαγωγή δεύτερου δίσκου αλουμινίου
- Εφαρμογή ροπής τουλάχιστον 0,6 Nm στον κοχλία πίεσης με τη βοήθεια ροπής στρέψης
- Προσδιορισμός του πάχους του δείγματος μέσω εξωτερικού μικρομέτρου (προσοχή: στρώμα γραφίτη!)
Οι μετρήσεις της θερμικής διάχυσης δίνουν τα ακόλουθα αποτελέσματα (σχήμα 3 καθώς και το σήμα του ανιχνευτή στο σχήμα 4).
Λόγω έλλειψης υλικών αναφοράς σε μορφή σκόνης, διερευνήθηκαν επιπλέον στερεά δείγματα. Το Vespel με χαμηλή θερμική διαχυτότητα (πάχος 2,0 mm) μπορεί να μετρηθεί στον συνήθη χρόνο μέτρησης (10 ημίσεια) με ± 5% σε σύγκριση με τη βιβλιογραφική τιμή (0,249 mm²/s). Η επίδραση του χρόνου μέτρησης στο σφάλμα μέτρησης παρουσιάζεται στον πίνακα 1.
Ρύθμιση δείγματος:
- Μετρήσεις 1 έως 5: τυπικό μοντέλο, μόνο εξέταση του δείγματος χωρίς δίσκους αλουμινίου για τη διερεύνηση της επιρροής της υποδοχής του δείγματος. Συνολικό πάχος: 2 mm
- Μετρήσεις 6 έως 8: σύστημα 3 στρώσεων, εξετάστηκαν δίσκοι αλουμινίου συμπεριλαμβανομένου του πάχους και των θερμοφυσικών ιδιοτήτων: Συνολικό πάχος: 4 mm
Αποτελέσματα μέτρησης και αξιολόγησή τους
Οι μετρήσεις 1 έως 5 (πίνακας 1) δείχνουν ότι τα δείγματα με χαμηλή θερμική διαχυτότητα (Vespel) μπορούν να μετρηθούν στους 25°C με ανοχή ± 5% σε σύγκριση με τις βιβλιογραφικές τιμές (Vespel στους 25°C: 0,249 mm²/s). Οι αποκλίσεις σε χρόνο μέτρησης 5 ημίσεια είναι μικρότερες, γεγονός που πιθανόν να σχετίζεται με εξωτερικές ροές θερμότητας μέσω της υποδοχής του δείγματος.
Μπορεί να θεωρηθεί ότι μπορούν να μετρηθούν δείγματα σκόνης με μέγιστο πάχος 1 mm. Για δείγματα μεγαλύτερου πάχους, ο λόγος σήματος προς θόρυβο χειροτερεύει και δεν είναι δυνατή η παραγωγή αξιόπιστων τιμών μέτρησης. Όσον αφορά τα εξαρτώμενα από τη θερμοκρασία αποτελέσματα της σκόνης γραφίτη, η ανοχή αυτή είναι εντός ± 10% σε σύγκριση με τη βιβλιογραφική τιμή.
Οι πολύ υψηλές αποκλίσεις (μετρήσεις 7 έως 8) οφείλονται στην επίδραση της θερμικής αντίστασης επαφής. Για το λόγο αυτό, πραγματοποιήθηκαν πρόσθετες μετρήσεις της αντίστασης επαφής, οι οποίες ελήφθησαν υπόψη για την αξιολόγηση.
Πίνακας 1: Επίδραση του χρόνου μέτρησης ενός υλικού με χαμηλή θερμική διαχυτότητα
# | Μέτρηση χρόνος | Χρόνος μέτρησης απόλυτα/ms | Μοντέλο | Μετρούμενη τιμή/ mm²/s | Μετρούμενη τιμή/mm²/s (5 μισές φορές) | Απόκλιση/% | Απόκλιση/% (5 μισές φορές) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 10 ημίσεια | 23000 | Πρότυπο | 0.237 | 0.251 | -4.8 | 0.8 |
| 2 | 20 ημίχρονα | 49000 | Πρότυπο | 0.235 | 0.251 | -5.6 | 0.8 |
| 3 | 30 ημίχρονα | 70000 | Πρότυπο | 0.231 | 0.254 | -7.2 | 2.0 |
| 4 | 40 ημίχρονα | 93000 | Πρότυπο | 0.237 | 0.243 | -4.8 | -2.4 |
| 5 | Μεγάλη απόκτηση δεδομένων | 83000 | Τυπικό | 0.237 | 0.254 | -4.8 | 2.0 |
| 6 | 10 ημίχρονα | 25000 | 3 στρώματα | 0.161 | >20 | ||
| 7 | 10 μισές φορές | 30000 | 3 στρώσεων (κόλλα γραφίτη) | 0.191 | -20 | ||
| 8 | 10 μισές φορές | 30000 | 3 στρώματα (WLP) | 0.214 | -14.1 |
Εξέταση της αντίστασης επαφής
Οι μετρήσεις #6 έως #8 στον πίνακα 1 δεν λαμβάνουν υπόψη τις αντιστάσεις επαφής. Συνεπώς, οι αποκλίσεις στις υπολογιζόμενες θερμικές διαχυτότητες είναι αντίστοιχα υψηλές. Στην περίπτωση της μέτρησης #6, πραγματοποιήθηκαν πρόσθετες μετρήσεις της αντίστασης επαφής. Λαμβάνοντας υπόψη την αντίσταση επαφής, η απόκλιση μειώνεται στο 11% περίπου με τη χρήση δύο μεταλλικών δίσκων χωρίς πάστα θερμικής αγωγιμότητας, όπως αποδεικνύεται από τον ακόλουθο υπολογισμό:
Για να εκτιμηθεί η ροή θερμότητας μέσω της υποδοχής του δείγματος, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις χωρίς δείγμα (σχήμα 5). Αναμένεται ένα σήμα του ανιχνευτή όσο το δυνατόν πιο κοντά στη γραμμή μηδέν, ώστε να αποκλείονται οι ροές θερμότητας μέσω του τοιχώματος του υποδοχέα δείγματος. Η απότομη αύξηση στην αρχή (κορυφή) μπορεί πιθανώς να εξηγηθεί από τη μεταφορά θερμότητας μέσω του στρώματος αέρα. Οι μετρήσεις υπό κενό θα μπορούσαν να παράσχουν πληροφορίες σχετικά με αυτό. Πάνω από τα 10000 ms, μπορεί να αναγνωριστεί ένα άλλο μέγιστο. Στην περαιτέρω πορεία μέχρι τα 40000 ms, παρατηρείται μια ελαφρά μείωση προς τη γραμμή 0. Αυτό υποδηλώνει μικρές εξωτερικές ροές θερμότητας μέσω της υποδοχής του δείγματος. Λαμβάνοντας υπόψη τη μέτρηση Vespel με υψηλότερες αποκλίσεις πάνω από ένα χρόνο μέτρησης 1000 ms, μπορεί να εξαχθεί η σύσταση να select το πάχος στρώματος των δειγμάτων σκόνης με τέτοιο τρόπο ώστε ο χρόνος μέτρησης (10 μισές φορές) να μην υπερβαίνει μια τιμή 1000 ms. Εάν αυτό δεν είναι δυνατό, ο χρόνος για τον υπολογισμό (καθορισμένο εύρος για τον υπολογισμό) πρέπει να ρυθμιστεί στη μέγιστη τιμή. 10000 ms. Πάνω από τα 10000 ms αναμένεται επικάλυψη της εξωτερικής ροής θερμότητας που αναφέρεται, μετατόπιση του μέγιστου σήματος και συνεπώς του χρόνου ημίσειας μέτρησης σε υψηλότερες τιμές (= χαμηλότερη θερμική διαχυτότητα), αναμένεται.
Για να εξεταστεί η επίδραση της αντίστασης επαφής, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις 2 στρωμάτων (2 μεταλλικές πλάκες η μία πάνω στην άλλη). Η αντίσταση επαφής που προσδιορίστηκε χρησιμοποιήθηκε στη συνέχεια για τη διόρθωση της θερμικής αγωγιμότητας (πρόσθεση των θερμικών αντιστάσεων). Πρέπει να αναφερθεί ότι οι ακόλουθες μετρήσεις επαφής πραγματοποιήθηκαν με αλλαγμένη θέση των μεταλλικών δίσκων (αλλαγμένο διάκενο αέρα/επαφή). Για τον υποδοχέα δείγματος πίεσης εκτιμήθηκε αβεβαιότητα μέτρησης 11%.
Στα σχήματα 6 έως 12 παρουσιάζονται τα σχετικά σήματα του ανιχνευτή για τις μετρήσεις Vespel.
Περίληψη
Για το LFA 467 HT HyperFlash, διατίθεται μια ειδική θήκη δειγμάτων για δείγματα σε σκόνη. Αυτό επιτρέπει μετρήσεις υπό μηχανική πίεση και απαιτεί υψηλό βαθμό προετοιμασίας του δείγματος. Μετά από προσεκτική selectιον του πάχους του στρώματος και την εφαρμογή του στρώματος γραφίτη, θα επιτευχθούν αβεβαιότητες μέτρησης ± 5%. Δοκιμαστικές μετρήσεις με δείγματα αναφοράς (χωρίς σκόνη) στη θήκη δείγματος έδειξαν ότι οι πρόσθετες αντιστάσεις επαφής μεταξύ των μεταλλικών πλακών και του δείγματος μπορούν να αλλάξουν σημαντικά το αποτέλεσμα.
Αριθμοί παραγγελίας του κατόχου του δείγματος
Οι κάτοχοι δειγμάτων μπορούν να παραγγελθούν με τους ακόλουθους αριθμούς παραγγελίας:
LFA 467: 6.257.1-91.9.00*
LFA 467 HT: LFA46700B96.020-00*
*Σύσταση: Χρόνος μέτρησης < 10000 ms.