Bevezetés
A hőkezelés számos alkalmazási területen fontos téma, és jelentősége folyamatosan növekszik. Ez különösen igaz a modern, nagy teljesítményű elektronikus és optoelektronikus eszközökre (5G-alkalmazások, nagy sebességű számítástechnika vagy nagy teljesítményű félvezető chipek), amelyek rendkívül small területeken jelentős hőt termelnek. A hő gyors elvezetése érdekében a hőforrásokhoz (például hűtőtestek, ventilátorok, hűtőbordák stb.) nagy hővezető képességgel rendelkező anyagokból készült hűtőtesteket vagy hővezető bevonatokat kell elhelyezni.
Az optimális anyagjelöltek keresése során a gyémánt ígéretes megoldásnak bizonyult. A gyémánt nem csupán az egyik legkeményebb, jelenleg ipari méretekben előállított anyag, hanem a legmagasabb hővezető képességgel is rendelkezik az összes ismert természetes anyag közül. Szobahőmérsékleten hővezető képessége meghaladhatja a 2000 W/(m·K) értéket, ami körülbelül négy-ötszöröse a réz vagy az ezüst Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességének. Kivételesen alacsony hőtágulási együtthatójával és szobahőmérsékleten mutatkozó elektromos szigetelő tulajdonságaival együtt a gyémánt kiváló anyag a fejlett hőkezelési alkalmazásokhoz. A gyémánt hőkezelésben való felhasználásakor különösen fontos a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességének pontos vizsgálata. A gyémánt rendkívül magas hővezető képessége és rendkívül nagy optikai átlátszósága jelentős kihívásokat jelent a hőteljesítmény pontos mérésében. Következésképpen a hővizsgálati módszerek és műszerek, valamint a vizsgálati technikák kiválasztása egyaránt fontos szerepet kap.
Ebben az összefüggésben a lézeres/fényvillanásos elemzés (LFA), egy érintésmentes hőmérési technika, kiválóan alkalmas a nagy hővezetőképességű anyagok hővezetőképességének értékelésére. Ez az alkalmazási példa elsősorban a nagy Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességű és átlátszó minták – például a gyémánt – vizsgálatának módszerét mutatja be az NETZSCH LFA 717 HyperFlash® segítségével, valamint a vizsgálati folyamatban alkalmazott kísérleti technikákat.
Síkon átmenő jellemzés
Az 1. ábra egy 2,69 mm vastag gyémántminta hőterjedési együtthatóját, Fajlagos hőkapacitás (cp)A hőkapacitás egy anyagspecifikus fizikai mennyiség, amelyet a mintadarabba juttatott hőmennyiség és az ebből eredő hőmérséklet-emelkedés hányadosa határoz meg. A fajlagos hőkapacitás a minta egységnyi tömegére vonatkozik.fajlagos hőkapacitását és Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességét mutatja. Látható, hogy a minta hőterjedési együtthatója szobahőmérsékleten körülbelül 1100 mm²/s, míg hővezető képessége körülbelül 2000 W/(m·K). A gyémántminta hővezető képessége a hőmérséklet emelkedésével gyorsan csökken, ami a fonon-fonon szóródás (Umklapp-folyamatok) hirtelen növekedésének köszönhető [1]. 300 °C-on a minta hővezető képessége 1000 W/(m·K) alá csökken, ami arra utal, hogy a gyémánt Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képességét jelentősen befolyásolják a hőmérséklet-változások. Az 1. táblázat részletezi a mérési feltételeket.
1. táblázat: Az LFA mérési feltételei
| Minta | Gyémánt |
|---|---|
| Minta előkészítése | Aranyporral porlasztva és vékony grafitréteggel bevonva |
| Minta mérete | 10 mm; vastagság: 2,69 mm |
| Mintatartó | 4 mintát befogadó négyzet alakú nyílás |
| Hőmérséklet-tartomány | Szobahőmérséklettől 500 °C-ig |
| Környezet | Nitrogén |
| Impulzus szélesség | 50 μs |
| Modell | Átlátszó |
Az ilyen magas hőterjedési együtthatóval rendelkező anyagok LFA-val történő elemzésekor elengedhetetlen a fényimpulzus hosszának és energiájának minimalizálása a szükséges hőmérsékleten történő pontos és megbízható eredmények elérése érdekében. Az LFA 717 készülék 10–1500 µs közötti széles tartományban állítható impulzus szélességet, nagy érzékenységű detektort és 2 MHz-es adatgyűjtési frekvenciát kombinál, így biztosítva a Hővezető képességA hővezető képesség (λ, mértékegysége W/(m-K)) az energia - hő formájában történő - szállítását írja le egy tömegtestben a hőmérséklet-gradiens hatására (lásd az 1. ábrát). A termodinamika második törvénye szerint a hő mindig az alacsonyabb hőmérséklet irányába áramlik.hővezető képesség pontos jellemzését még gyémántminták esetében is.
A minta előkészítése és annak hatása
Az LFA-vizsgálat során a mintákat általában grafittal vonják be, hogy javítsák a felszíni fényelnyelés és -kibocsátás képességét, miközben csökkentik a fényvisszaverődést (lásd a 2. ábrát). Hagyományos minták esetében a grafitbevonat hatása a hőterjedési együttható eredményeire elhanyagolható. A gyémánt esetében azonban – különösen a kivételesen magas hővezető képességgel rendelkező egykristályos gyémántnál – a grafitbevonat hatása nem hagyható figyelmen kívül. A túl vastag grafitbevonatok jelentősen csökkentik a mért hőterjedési tényezőt. Ezzel szemben a nem megfelelő vastagságú bevonat nem képes teljesen elnyelni a villanófényt, és a mintába jutó fény (a gyémánt magas fényáteresztő képessége miatt) rontja a detektorjel minőségét, és így az elemzés pontosságát is. Erre vonatkozóan hatékony megoldás egy vékony, aranyból porlasztott bevonat felvitele a gyémántminta felületére, hogy az hatékonyan átlátszatlan legyen, majd ezt követi egy vékony grafitbevonat, amely javítja a sugárzáselnyelés és -kibocsátás képességét.
Különböző bevonattal rendelkező gyémántok mérése
A 2. táblázat egy 1,948 mm vastagságú egykristályos gyémántminta hőterjedési együtthatóját mutatja be, összehasonlítva négy felületi bevonási módszer hatását: egyrétegű, kétrétegű és háromrétegű grafitbevonatokat, valamint aranyporlasztást, amelyet szobahőmérsékleten vékony grafitbevonat követ. Megfigyelhető, hogy amikor a grafitot közvetlenül a mintára viszik fel, minden grafitréteg körülbelül 10 μm-rel növeli a minta vastagságát. A minta vastagsága körülbelül 30 μm-rel nőtt három grafitréteg felvitele után. Ennek megfelelően a gyémántminta hőterjedési együtthatója a grafitbevonat vastagságának növekedésével csökkent. Ahogyan az várható volt, a vékony porlasztott aranybevonat és a vékony, nem teljes grafitréteg kombinációja minimalizálja a szükséges felületi bevonatnak az elemzésre gyakorolt hatását.
2. táblázat: Hőterjedési együttható szobahőmérsékleten és a gyémántminta vastagsága négy különböző módszer szerinti felületi bevonatolás után. Az eredeti minta vastagsága a bevonatolás előtt: 1,948 mm.
| Mintakészítés | Vastagság (mm) | Hőterjedési együttható (mm²/s) |
|---|---|---|
| Grafitbevonat után | 1,960 | 1093,16 |
| Kétszer grafitbevonatú | 1,969 | 1011,42 |
| Háromszoros grafitbevonatú | 1,978 | 731,84 |
| Párologtatott aranyréteg + vékony grafitbevonat | 1,956 | 1223,25 |
A kapott hőterjedési együttható-eredmények ellenőrzése érdekében két további, különböző vastagságú (0,915 és 3,001 mm) gyémántmintát is elemeztünk. A három minta hőterjedési értékeinek konzisztenciája – mindhárom körülbelül 1240 mm²/s, 3%-on belüli szórással – rámutat az NETZSCH LFA 717 készülékkel elvégzett elemzés magas reprodukálhatóságára (lásd a 3. táblázatot). Figyelemre méltó, hogy a három mintáról rögzített detektorjelek kiválóan egyeztek a modellhez illesztett görbékkel, amint azt a 3. ábra szemlélteti.
3. táblázat: Különböző vastagságú gyémántminták hőterjedési együtthatója (vékony, porlasztással felvitt aranybevonattal és részleges grafitréteggel).
| Minta | Hőterjedési együttható (mm²/s) |
|---|---|
| Gyémánt-0,915 mm | 1225,25 |
| Gyémánt – 1,948 mm | 1223,25 |
| Gyémánt – 3,001 mm | 1277,61 |
Következtetés
A „ LFA 717 HyperFlash® ” segítségével elvégzett mérések bizonyítják a rendszer kiváló képességét olyan rendkívül igényes anyagok hőtechnikai tulajdonságainak pontos meghatározására, mint például a gyémánt, amely rendkívül magas hővezető képességet ötvöz jelentős optikai átlátszósággal. Az eredmények rávilágítanak arra, hogy megfelelő felület-előkészítés és értékelési stratégiák alkalmazása esetén még igényes mérési körülmények között is megbízható és kiválóan reprodukálható adatok nyerhetők.
Az ilyen minták esetében kombinált bevonati eljárást – kezdeti aranyporosítás, majd vékony grafitréteg felvitele – alkalmaztunk a hőmérséklet-emelkedési görbék optimális jelminőségének biztosítása érdekében. Ez az előkészítés stabil jelérzékelést tett lehetővé, és jelentősen javította az adatok minőségét. A kapott jelviselkedés alapján kiválasztották a legmegfelelőbb értékelési modellt (standard vagy átlátszó modell), biztosítva ezzel a hőterjedési együttható pontos meghatározását.
Összességében az LFA 717 magas mérési pontosságot és robusztusságot bizonyított, miközben rugalmas elemzési lehetőségeket kínál, amelyek lehetővé teszik a szélsőséges hő- és optikai tulajdonságokkal rendelkező anyagok megbízható jellemzését.