L'analyse par flash laser permet de mesurer le transfert de chaleur dans les matériaux anisotropes

Introduction

Les feuilles de graphite sont utilisées dans de nombreuses applications techniques où une dissipation efficace de la chaleur est nécessaire malgré la finesse du matériau, notamment dans les domaines de l'électronique, de la technologie énergétique et de la construction mécanique. Outre leur résistance thermique et chimique élevée, elles se distinguent par leur Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique anisotrope prononcée.

Alors que leur Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique perpendiculaire au plan de la feuille (à travers le plan) est comparativement faible, ils présentent une Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique très élevée dans le plan (dans le plan). Ces propriétés sont largement liées à la production, par exemple au laminage. La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique dans le plan permet une distribution latérale rapide de la chaleur sur toute la surface de la feuille. Ceci est particulièrement important pour réduire les points chauds locaux, car cela permet de dissiper efficacement les sources de chaleur localisées. Ainsi, les feuilles de graphite agissent comme des répartiteurs de chaleur, contribuant de manière significative à la Stabilité thermiqueUn matériau est thermiquement stable s'il ne se décompose pas sous l'influence de la température. Une façon de déterminer la stabilité thermique d'une substance est d'utiliser un ATG (analyseur thermogravimétrique). stabilité thermique et à la fiabilité des systèmes techniques modernes.

Dans l'avion ou à l'intérieur de l'avion

La détermination précise de la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique dans le plan et à travers le plan est d'une importance capitale pour la conception de nombreuses applications techniques. Le LFA (Laser Flash Analysis) permet de réaliser cette tâche facilement et de manière conviviale grâce à des porte-échantillons et des modèles adaptés. Les mesures dans le plan sont effectuées à l'aide du porte-échantillon en feuille, qui est optimisé pour mesurer des échantillons minces (voir figure 1, à gauche). Les mesures dans le plan sont effectuées à l'aide du porte-échantillon dans le plan (flux de chaleur vers l'intérieur) ; voir figure 1, à droite.

Les mesures dans le plan sont effectuées perpendiculairement à la surface de l'échantillon. Les mesures dans le plan utilisent un éclairage en forme d'anneau de l'échantillon, tandis que l'augmentation de température est détectée au centre de l'échantillon. Le signal de mesure est donc caractéristique de la conduction thermique dans le plan. La figure 2 présente un croquis illustrant ce phénomène.

Conditions de mesure

Les conditions de mesure sont détaillées dans le tableau 1.

Tableau 1 : Conditions de mesure

Modèle orthotrope

Afin de tenir compte de l'anisotropie prononcée des feuilles de graphite lors de l'évaluation, le modèle orthotrope décrit la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique comme une quantité qui dépend de la direction, avec deux composantes indépendantes : une qui est perpendiculaire au plan de l'échantillon (α ), et une qui est dans le plan (α||). Cela se reflète directement dans l'équation de conduction thermique sous-jacente.

Ici, z représente la direction perpendiculaire à la surface de l'échantillon (à travers le plan) et r la direction radiale dans le plan (dans le plan). Plutôt que de supposer une diffusivité uniforme dans toutes les directions, le modèle incorpore des valeurs de paramètres indépendantes pour α|| et α , ce qui lui permet de tenir compte de la propagation réelle de la chaleur dans les matériaux anisotropes. Lors de l'évaluation d'une mesure dans le plan, la diffusivité dans le plan, α , qui a été déterminée précédemment dans une mesure séparée, est incorporée dans le calcul en tant que paramètre d'entrée connu. Cela permet de déterminer précisément α||.

De nombreux systèmes LFA commerciaux utilisent exclusivement des modèles unidimensionnels pour évaluer les mesures dans le plan. Comme ces modèles ne décrivent que la propagation de la chaleur le long d'une seule direction spatiale, il est impossible de faire la distinction entre la diffusivité dans le plan et la diffusivité à travers le plan dès le départ. Pour les matériaux présentant une anisotropie prononcée, tels que les feuilles de graphite, cela conduit inévitablement à une sous-estimation de la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique.

Impact du modèle choisi sur le résultat de la mesure

La figure 3 montre la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique de la feuille de graphite à température ambiante dans les directions du plan traversant et du plan intérieur. La Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique perpendiculaire à la surface (dans le plan) est évaluée avec le modèle standard, basé sur Cape Lehman [1]. Elle est inférieure de deux ordres de grandeur à la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique dans le plan. Le modèle orthotrope est donc utilisé pour évaluer la mesure dans le plan. En y regardant de plus près, la distinction entre le comportement isotrope et anisotrope dans les mesures dans le plan est significative.

La figure 4 l'illustre clairement. Ici, la mesure sur la feuille de graphite a été évaluée en utilisant à la fois le modèle isotrope et le modèle orthotrope. L'évaluation isotrope donne des valeurs nettement inférieures (environ -18 %) et montre également une courbe d'ajustement nettement moins bonne.

Conductivité thermique en fonction de la température et de la direction de mesure

La figure 5 montre la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique de la feuille de graphite dans le plan et dans le plan, de la température ambiante à 500°C. La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique a été calculée en utilisant la Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique du graphite POCO [2] et la densité à température ambiante. La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique diminue avec l'augmentation de la température dans les deux directions. La Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique dans le plan est significativement plus élevée que la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique dans le plan.

Résumé

Associée à des porte-échantillons appropriés, l'analyse par flash laser permet de déterminer de manière fiable la conductivité thermique hautement anisotrope des feuilles de graphite, à la fois dans le plan et à travers le plan. Cela révèle une conductivité thermique dans le plan qui est supérieure de plusieurs ordres de grandeur, ce qui est crucial pour la distribution efficace de la chaleur et la réduction des points chauds. Pour garantir une évaluation précise, il est essentiel d'utiliser un modèle qui tienne compte de l'anisotropie, car les approches isotropes sous-estiment considérablement les propriétés.