Introduction
En raison de la structure particulière des matériaux en poudre, par exemple les poudres de NTC, leurs propriétés thermophysiques dépendent non seulement de la température mais aussi de la pression. NETZSCH a donc développé un porte-échantillon spécial pour la pression qui permet des pressions calibrées jusqu'à 15 MPa et des mesures jusqu'à 300°C. L'échantillon est mesuré entre deux plaques métalliques. La mesure est évaluée à l'aide du modèle à trois couches intégré dans le logiciel
Les tubes de carbone (CNT) présentent des propriétés électroniques et mécaniques uniques ainsi qu'une conductivité thermique exceptionnellement élevée. La connaissance de la diffusivité thermique et de la conductivité thermique sont des paramètres thermophysiques cruciaux lors de l'utilisation de nanocomposites polymère/CNT. La figure 1 montre clairement la dépendance de la densité par rapport à la diffusivité thermique. Pour améliorer les conditions de mesure de ces matériaux, mais aussi des fibres, un porte-échantillon spécial a été mis au point pour les analyses flash laser (LFA).
Porte-échantillon à pression
Le porte-échantillon à pression (figure 2) a été conçu pour permettre l'étude d'échantillons sous forme de poudre. Deux disques en aluminium et une vis de pression permettent d'étudier la compression du porte-échantillon. Dans ce qui suit, différentes mesures sont présentées en fonction de la température. Le temps de mesure maximal et l'influence du porte-échantillon seront discutés.
Données générales :
- Volume, maximum : 0.5 ml
- Couple de serrage : au moins 0,6 Nm
Préparation du porte-échantillon :
- Revêtement des disques d'aluminium avec du graphite à l'extérieur
- Insertion d'un disque en aluminium dans le porte-échantillon
- Remplissage de l'échantillon avec de la poudre et insertion d'un deuxième disque en aluminium
- Application d'un couple d'au moins 0,6 Nm sur la vis de pression au moyen d'un couple de serrage
- Détermination de l'épaisseur de l'échantillon à l'aide d'un micromètre extérieur (Attention : couche de graphite !)
Les mesures de la diffusivité thermique donnent les résultats suivants (figure 3 ainsi que le signal du détecteur dans la figure 4).
En raison de l'absence de matériaux de référence sous forme de poudre, des échantillons solides ont été étudiés en plus. Le vespel à faible diffusivité thermique (2,0 mm d'épaisseur) peut être mesuré avec le temps de mesure habituel (10 demi-temps) avec ± 5 % par rapport à la valeur de la littérature (0,249 mm²/s). L'influence du temps de mesure sur l'erreur de mesure est indiquée dans le tableau 1.
Configuration de l'échantillon :
- Mesures 1 à 5 : modèle standard, seul l'échantillon sans disques d'aluminium est pris en compte pour étudier l'influence du porte-échantillon. Épaisseur totale : 2 mm
- Mesures 6 à 8 : système à 3 couches, les disques d'aluminium ont été pris en compte, y compris l'épaisseur et les propriétés thermophysiques : Épaisseur totale : 4 mm
Les résultats des mesures et leur évaluation
Les mesures 1 à 5 (tableau 1) montrent que les échantillons à faible diffusivité thermique (Vespel) peuvent être mesurés à 25°C avec une tolérance de ± 5% par rapport aux valeurs de la littérature (Vespel à 25°C : 0,249 mm²/s). Les écarts à un temps de mesure de 5 demi-temps sont plus faibles, ce qui peut probablement être lié aux flux de chaleur externes via le porte-échantillon.
On peut supposer que les échantillons de poudre d'une épaisseur maximale de 1 mm peuvent être mesurés. Pour les échantillons plus épais, le rapport signal/bruit se dégrade et il n'est pas possible de générer des valeurs de mesure fiables. En ce qui concerne les résultats de la poudre de graphite en fonction de la température, cette tolérance est de ± 10 % par rapport à la valeur de la littérature.
Les écarts très élevés (mesures 7 et 8) sont dus à l'influence de la résistance thermique de contact. C'est pourquoi des mesures supplémentaires de la résistance de contact ont été effectuées et prises en compte dans l'évaluation.
Tableau 1 : Influence de la durée de mesure d'un matériau à faible diffusivité thermique
# | Temps de de mesure | Temps de mesure absolut/ms | Modèle | Valeur mesurée/ mm²/s | Valeur mesurée/mm²/s (5 fois sur deux) | Ecart/% | Écart/% (5 fois sur deux) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 10 demi-fois | 23000 | Standard | 0.237 | 0.251 | -4.8 | 0.8 |
| 2 | 20 demi-heures | 49000 | Standard | 0.235 | 0.251 | -5.6 | 0.8 |
| 3 | 30 demi-heures | 70000 | Standard | 0.231 | 0.254 | -7.2 | 2.0 |
| 4 | 40 demi-heures | 93000 | Standard | 0.237 | 0.243 | -4.8 | -2.4 |
| 5 | Acquisition de données longues | 83000 | Standard | 0.237 | 0.254 | -4.8 | 2.0 |
| 6 | 10 demi-heures | 25000 | 3 couches | 0.161 | >20 | ||
| 7 | 10 demi-fois | 30000 | 3 couches (colle graphite) | 0.191 | -20 | ||
| 8 | 10 demi-heures | 30000 | 3 couches (WLP) | 0.214 | -14.1 |
Prise en compte de la résistance de contact
Les mesures #6 à #8 du tableau 1 ne prennent pas en compte les résistances de contact. Les écarts dans les diffusivités thermiques calculées sont donc élevés. Dans le cas de la mesure n° 6, des mesures supplémentaires de la résistance de contact ont été effectuées. En tenant compte de la résistance de contact, l'écart est réduit à environ 11 % en utilisant deux disques métalliques sans pâte de conductivité thermique, comme le montre le calcul suivant :
Pour évaluer le flux de chaleur via le porte-échantillon, des mesures sans échantillon ont été effectuées (figure 5). Un signal de détecteur aussi proche que possible de la ligne zéro est attendu afin d'exclure les flux de chaleur à travers la paroi du porte-échantillon. La forte augmentation au début (pic) peut probablement s'expliquer par le transfert de chaleur à travers la couche d'air. Des mesures sous vide pourraient fournir des informations à ce sujet. Au-dessus de 10000 ms, un autre maximum peut être reconnu. Par la suite, jusqu'à 40000 ms, on observe une légère diminution jusqu'à la ligne 0. Cela indique un léger flux de chaleur externe à travers le porte-échantillon. En tenant compte de la mesure Vespel avec des écarts plus élevés au-dessus d'un temps de mesure de 1000 ms, on peut recommander de select l'épaisseur de couche des échantillons de poudre de manière à ce que le temps de mesure (10 demi-fois) ne dépasse pas une valeur de 1000 ms. Si cela n'est pas possible, le temps de calcul (plage de calcul) doit être réglé sur max. 10000 ms. Au-delà de 10000 ms, il faut s'attendre à un chevauchement du flux de chaleur externe mentionné, ce qui entraîne un décalage du maximum du signal et donc du demi temps vers des valeurs plus élevées (= diffusivité thermique plus faible).
Afin d'examiner l'influence de la résistance de contact, des mesures sur deux couches (deux plaques métalliques l'une sur l'autre) ont été effectuées. La résistance de contact déterminée a ensuite été utilisée pour corriger la conductivité thermique (addition des résistances thermiques). Il convient de mentionner que les mesures de contact suivantes ont été effectuées avec une position modifiée des disques métalliques (intervalle d'air/contact modifié). Une incertitude de mesure de 11 % a été estimée pour le porte-échantillon de pression.
Les figures 6 à 12 montrent les signaux des détecteurs associés pour les mesures de Vespel.
Résumé
Pour le LFA 467 HT HyperFlash, un porte-échantillon spécial pour les échantillons en poudre est disponible. Il permet d'effectuer des mesures sous pression mécanique et nécessite un degré élevé de préparation de l'échantillon. En choisissant soigneusement l'épaisseur de la couche et l'application de la couche de graphite, on obtient des incertitudes de mesure de ± 5 %. Des mesures d'essai avec des échantillons de référence (sans poudre) dans le porte-échantillon ont montré que des résistances de contact supplémentaires entre les plaques métalliques et l'échantillon peuvent modifier le résultat de manière significative.
Numéros de commande du porte-échantillon
Les porte-échantillons peuvent être commandés sous les numéros de commande suivants :
LFA 467 : 6.257.1-91.9.00*
LFA 467 HT : LFA46700B96.020-00*
*Recommandation : Temps de mesure < 10000 ms.