El análisis de destellos láser permite medir la transferencia de calor en materiales anisótropos

Introducción

Las láminas de grafito se utilizan en muchas aplicaciones técnicas en las que se requiere una disipación eficaz del calor a pesar de la delgadez del material, como en la electrónica, la tecnología energética y la ingeniería mecánica. Además de su elevada resistencia térmica y química, se distinguen por su marcada Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica anisótropa.

Mientras que su Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica perpendicular al plano de la lámina (a través del plano) es comparativamente baja, presentan una Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica muy alta en el plano (en el plano). Estas propiedades están relacionadas en gran medida con la producción, por ejemplo, debido al laminado. La Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica en el plano permite una rápida distribución lateral del calor por la superficie de la lámina. Esto es especialmente importante para reducir los puntos calientes locales, ya que permite disipar eficazmente las fuentes de calor localizadas. Así pues, las láminas de grafito actúan como disipadores de calor, contribuyendo significativamente a la Estabilidad térmicaUn material es térmicamente estable si no se descompone bajo la influencia de la temperatura. Una forma de determinar la estabilidad térmica de una sustancia es utilizar un TGA (analizador termogravimétrico). estabilidad térmica y la fiabilidad de los sistemas técnicos modernos.

A Través del Avión vs. En el Avión

La determinación precisa de la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica en el plano y a través del plano es de vital importancia para el diseño de muchas aplicaciones técnicas. LFA (Laser Flash Analysis) puede realizar esta tarea de forma fácil y sencilla con los modelos y portamuestras adecuados. Las mediciones a través del plano se realizan utilizando el portamuestras de lámina, que está optimizado para medir muestras finas (véase la figura 1, izquierda). Las mediciones en el plano, sin embargo, se realizan utilizando el portamuestras en el plano (flujo de calor hacia el interior); véase la figura 1, derecha.

Las mediciones en el plano se realizan perpendicularmente a la superficie de la muestra. Las mediciones en el plano utilizan una iluminación en forma de anillo de la muestra, mientras que el aumento de temperatura se detecta en el centro de la muestra. Esto hace que la señal de medición sea característica de la conducción de calor en el plano. La figura 2 muestra un esquema ilustrativo.

Condiciones de medición

Las condiciones de medición se detallan en el cuadro 1.

Cuadro 1: Condiciones de medición

Modelo ortotrópico

Para tener en cuenta la pronunciada anisotropía de las láminas de grafito durante la evaluación, el modelo ortotrópico describe la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica como una cantidad que depende de la dirección, con dos componentes independientes: una que es perpendicular al plano de la muestra (α ), y otra que está en el plano (α||). Esto se refleja directamente en la ecuación de conducción de calor subyacente.

Aquí, z denota la dirección perpendicular a la superficie de la muestra (a través del plano) y r la dirección radial en el plano (en el plano). En lugar de suponer una difusividad uniforme en todas las direcciones, el modelo incorpora valores de parámetros independientes para α|| y α , lo que le permite tener en cuenta la propagación real del calor en materiales anisótropos. Al evaluar una medición en el plano, la difusividad a través del plano, α , que se determinó previamente en una medición separada, se incorpora al cálculo como un parámetro de entrada conocido. Esto permite determinar con precisión α||.

Muchos sistemas ALF comerciales utilizan exclusivamente modelos unidimensionales para evaluar las mediciones en el plano. Dado que estos modelos sólo describen la propagación del calor a lo largo de una única dirección espacial, es imposible distinguir entre la difusividad en el plano y a través del plano desde el principio. En el caso de materiales con una anisotropía pronunciada, como las láminas de grafito, esto conduce inevitablemente a subestimar la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica.

Impacto del modelo elegido en el resultado de la medición

La figura 3 muestra la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica de la lámina de grafito a temperatura ambiente en las direcciones transversal y en el plano. La Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica perpendicular a la superficie (a través del plano) se evalúa con el modelo estándar, basado en Cape Lehman [1]. Esta difusividad es dos órdenes de magnitud inferior a la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica en el plano. Por lo tanto, se utiliza el modelo ortotrópico para evaluar la medición en el plano. Tras un examen más detallado, la distinción entre el comportamiento isótropo y anisótropo en las mediciones en el plano es significativa.

La figura 4 lo ilustra claramente. Aquí, la medición en la lámina de grafito evaluada utilizando tanto el modelo isotrópico como el ortotrópico. La evaluación isotrópica arroja valores significativamente más bajos (aprox. -18%) y también muestra un ajuste de la curva significativamente peor.

Conductividad térmica en función de la temperatura y la dirección de medición

La figura 5 muestra la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica de la lámina de grafito en las direcciones transversal y en el plano desde la temperatura ambiente hasta 500°C. La Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica se calculó utilizando la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica del grafito POCO [2] y la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad a temperatura ambiente. La Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica se calculó utilizando la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica del grafito POCO [2] y la DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad a temperatura ambiente. La Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica disminuye al aumentar la temperatura en ambas direcciones. La Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica en el plano es significativamente mayor que la conductividad térmica a través del plano.

Resumen

Cuando se combina con portamuestras adecuados, el análisis de flash láser permite determinar de forma fiable la conductividad térmica altamente anisotrópica de las láminas de grafito tanto en el plano de paso como en el plano interior. Esto revela una conductividad térmica en el plano interior que es órdenes de magnitud más alta, lo que es crucial para la distribución eficiente del calor y la reducción de los puntos calientes. Para garantizar una evaluación precisa, es esencial utilizar un modelo que tenga en cuenta la anisotropía, ya que los enfoques isotrópicos subestiman significativamente las propiedades.