Johdanto
Grafiittikalvoja käytetään monissa teknisissä sovelluksissa, joissa vaaditaan tehokasta lämmönsiirtoa materiaalin ohuudesta huolimatta, kuten elektroniikassa, energiatekniikassa ja koneenrakennuksessa. Korkean lämmön- ja kemikaalinkestävyyden lisäksi niille on ominaista niiden voimakas anisotrooppinen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus.
Vaikka niiden LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus kohtisuoraan kalvon tasoon nähden (läpimenevä taso) on verrattain alhainen, niiden LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus tasossa (tasossa) on erittäin korkea. Nämä ominaisuudet liittyvät suurelta osin tuotantoon, esimerkiksi valssaukseen. Tason sisäinen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus mahdollistaa lämmön nopean sivuttaisen jakautumisen kalvon pinnalle. Tämä on erityisen tärkeää paikallisten kuumien pisteiden vähentämiseksi, koska sen avulla paikalliset lämmönlähteet voidaan johtaa tehokkaasti pois. Näin grafiittikalvot toimivat lämmönlevittäjinä ja edistävät merkittävästi nykyaikaisten teknisten järjestelmien lämpöstabiilisuutta ja luotettavuutta.
Lentokoneen läpi vs. lentokoneen sisällä
Tason läpi ja tasossa kulkevan lämmönjohtavuuden tarkka määrittäminen on keskeisen tärkeää monien teknisten sovellusten suunnittelussa. LFA (Laser Flash Analysis) voi hoitaa tämän tehtävän helposti ja käyttäjäystävällisesti sopivilla näytteenottimilla ja -malleilla. Läpivientitason mittaukset tehdään folionäytteen pidikkeellä, joka on optimoitu ohuiden näytteiden mittaamiseen (ks. kuva 1, vasemmalla). Tason sisäiset mittaukset tehdään kuitenkin tasossa olevalla näytteenpitimellä (lämpövirta sisäänpäin); ks. kuva 1, oikealla.
Läpimittaukset tehdään kohtisuoraan näytteen pintaan nähden. Tason sisäisissä mittauksissa käytetään näytteen rengasmaista valaistusta, ja lämpötilan nousu havaitaan näytteen keskeltä. Tämä tekee mittaussignaalista tasossa tapahtuvalle lämmön johtumiselle ominaisen. Kuvassa 2 on tätä havainnollistava luonnos.
Mittausolosuhteet
Mittausolosuhteet on esitetty yksityiskohtaisesti taulukossa 1.
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| LFA-järjestelmä | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Näyte | Grapiti-folio |
| Näytteen paksuus | 500 μm |
| TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. Tiheys | ~ 1 g/cm³ datalehdestä laskettuna |
| Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.Ominaislämpökapasiteetti | Kirjallisuusarvot POCO-grafiitista [2] |
| Lämpötilaohjelma | 25-500 °C |
| Ilmakehä | typpi |
| Mittaussuunta | tason läpi ja tason sisällä |
| Näytteen pidike | tasossa → näytteenpidin kalvoja varten tasossa → näytteenpidin tasossa (lämpövirta sisäänpäin) |
| Arviointimallit | tason läpi → Cape Lehmaniin perustuva standardimalli tasossa → ortotrooppinen malli |
Ortotrooppinen malli
Jotta grafiittikalvojen voimakas anisotropia voidaan ottaa huomioon arvioinnin aikana, ortotrooppisessa mallissa lämpödiffuusiokyky kuvataan suunnasta riippuvana suureena, jolla on kaksi riippumatonta komponenttia: yksi, joka on kohtisuorassa näytetasoon nähden (α ), ja yksi, joka on tasossa (α|||). Tämä näkyy suoraan taustalla olevassa lämmönjohtumisyhtälössä.
Tässä z tarkoittaa suuntaa kohtisuoraan näytteen pintaan nähden (läpimenevä taso) ja r radiaalista suuntaa tasossa (tasossa). Sen sijaan, että oletettaisiin yhtenäinen diffuusiokyky kaikissa suunnissa, malli sisältää riippumattomat parametriarvot α|| ja α , jolloin se voi ottaa huomioon todellisen lämmön etenemisen anisotrooppisissa materiaaleissa. Kun arvioidaan tasossa tapahtuvaa mittausta, tason läpi kulkeva diffuusiokyky α , joka määritettiin aiemmin erillisessä mittauksessa, sisällytetään laskentaan tunnettuna syöttöparametrina. Näin α|| voidaan määrittää tarkasti.
Monissa kaupallisissa LFA-järjestelmissä käytetään yksinomaan yksiulotteisia malleja tasomittausten arviointiin. Koska nämä mallit kuvaavat lämmön etenemistä vain yhtä tilasuuntaa pitkin, on mahdotonta erottaa tasossa tapahtuvaa ja tasossa tapahtuvaa diffuusiokykyä toisistaan alusta alkaen. Kun kyseessä ovat materiaalit, joissa on voimakasta anisotropiaa, kuten grafiittikalvot, tämä johtaa väistämättä lämpödiffuusiokyvyn aliarviointiin.
Valitun mallin vaikutus mittaustulokseen
Kuvassa 3 esitetään grafiittikalvon lämpödiffuusiokyky huoneenlämpötilassa läpimenevässä tasossa ja tasossa olevissa suunnissa. Pintaa vastaan kohtisuorassa oleva lämpödiffuusiokyky (läpimenevä taso) on arvioitu vakiomallilla, joka perustuu Cape Lehmaniin [1]. Tämä on kaksi kertaluokkaa pienempi kuin tasossa oleva lämpödiffussiivisuus. Sen vuoksi käytetään ortotrooppista mallia tasossa tapahtuvan mittauksen arviointiin. Tarkemmin tarkasteltuna ero isotrooppisen ja anisotrooppisen käyttäytymisen välillä tasomittauksissa on merkittävä.
Kuva 4 havainnollistaa tätä selvästi. Tässä grafiittikalvon mittaus on arvioitu sekä isotrooppisella että ortotrooppisella mallilla. Isotrooppinen arviointi antaa huomattavasti alhaisemmat arvot (noin -18 %) ja osoittaa myös huomattavasti huonomman käyrän sovituksen.
Lämmönjohtavuus lämpötilan ja mittaussuunnan funktiona
Kuvassa 5 esitetään grafiittikalvon LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus läpimenevässä tasossa ja tason sisäisessä suunnassa huoneenlämpötilasta 500 °C:een. LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.Lämmönjohtavuus laskettiin käyttämällä POCO-grafiitin [2] ominaislämpökapasiteettia ja tiheyttä huoneenlämmössä. LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.Lämmönjohtavuus pienenee lämpötilan kasvaessa molempiin suuntiin. Tason sisäinen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on huomattavasti suurempi kuin tason läpi kulkeva LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus.
Yhteenveto
Kun laserleimausanalyysi yhdistetään sopiviin näytteenpitimiin, sillä voidaan määrittää luotettavasti grafiittikalvojen erittäin anisotrooppinen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus sekä läpivienti- että sisätason suunnassa. Näin saadaan selville, että tason sisäinen LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus on kertaluokkaa suurempi, mikä on ratkaisevan tärkeää lämmön tehokkaan jakautumisen ja kuumien pisteiden vähentämisen kannalta. Tarkan arvioinnin varmistamiseksi on olennaista käyttää mallia, joka ottaa huomioon anisotropian, sillä isotrooppiset lähestymistavat aliarvioivat ominaisuuksia merkittävästi.