Bevezetés
A grafitfóliákat számos olyan műszaki alkalmazásban használják, ahol az anyag vékonysága ellenére hatékony hőelvezetésre van szükség, például az elektronikában, az energiatechnikában és a gépészetben. A nagy hő- és kémiai ellenállás mellett a grafitokat kifejezett anizotróp 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 képességük is jellemzi.
Míg a fólia síkjára merőleges (síkbeli) 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 képességük viszonylag alacsony, addig a síkban (síkbeli) nagyon magas hővezető képességet mutatnak. Ezek a tulajdonságok nagyrészt gyártásfüggőek, pl. a hengerlés miatt. A síkbeli 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 lehetővé teszi a gyors oldalsó hőeloszlást a fólia felületén. Ez különösen fontos a helyi forró pontok csökkentése szempontjából, mivel lehetővé teszi a helyi hőforrások hatékony elvezetését. Így a grafitfóliák hőelosztóként működnek, jelentősen hozzájárulva a modern műszaki rendszerek HőstabilitásEgy anyag hőstabil, ha a hőmérséklet hatására nem bomlik el. Egy anyag hőstabilitásának meghatározására a TGA (termogravimetriás analizátor) egyik módja. hőstabilitásához és megbízhatóságához.
Síkbeli vs. síkbeli
A síkbeli és síkbeli 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 meghatározása számos műszaki alkalmazás tervezésénél központi jelentőségű. Az LFA (Laser Flash Analysis) a megfelelő mintatartókkal és modellekkel könnyen és felhasználóbarát módon tudja kezelni ezt a feladatot. A síkbeli mérések a fóliás mintatartóval végezhetők, amely a vékony minták mérésére optimalizált (lásd az 1. ábrát balra). A síkban történő méréseket viszont a síkban lévő mintatartóval végzik (hőáramlás befelé); lásd az 1. ábrát, jobbra.
A síkbeli méréseket a minta felületére merőlegesen végzik. A síkban végzett mérések a minta gyűrű alakú megvilágítását használják, míg a hőmérséklet-emelkedést a minta középpontjában érzékelik. Ezáltal a mérési jel a síkban történő hővezetésre jellemzővé válik. A 2. ábra ezt szemléltető vázlatot mutat.
Mérési feltételek
A mérési feltételeket az 1. táblázat részletezi.
Táblázat: Mérési feltételek
| LFA-rendszer | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Minta | Gravit fólia |
| A minta vastagsága | 500 μm |
| SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. Sűrűség | ~ 1 g/cm³ az adatlap alapján |
| Fajlagos hőkapacitás | Irodalmi értékek POCO grafitból [2] |
| Hőmérsékleti program | 25 és 500°C között |
| Atmoszféra | nitrogén |
| Mérési irány | síkban és síkban |
| Mintatartó | síkbeli → mintatartó fóliákhoz síkban → síkban lévő mintatartó (hőáramlás befelé) |
| Kiértékelési modellek | síkbeli → standard modell Cape Lehman alapján síkban → ortotróp modell |
Orthotróp modell
Annak érdekében, hogy a grafitfóliák kifejezett anizotrópiáját a kiértékelés során figyelembe lehessen venni, az ortotróp modell a termikus diffúziós képességet irányfüggő mennyiségként írja le, két független komponenssel: egy, a minta síkjára merőleges (α ) és egy, a síkban lévő (α||) komponenssel. Ez közvetlenül tükröződik az alapul szolgáló hővezetési egyenletben.
Itt a z a minta felületére merőleges irányt jelöli (átmenő sík) és r a síkban lévő sugárirányt (síkban). Ahelyett, hogy minden irányban egységes diffúziós képességet feltételeznénk, a modell független paraméterértékeket tartalmaz az α|| és α értékekre vonatkozóan, ami lehetővé teszi a tényleges hőterjedés figyelembevételét anizotróp anyagokban. Egy síkbeli mérés kiértékelésekor a síkbeli diffúziós tényezőt, α-t, amelyet korábban egy külön mérés során határoztak meg, ismert bemeneti paraméterként beépítik a számításba. Ez lehetővé teszi α||| pontos meghatározását.
Számos kereskedelmi LFA-rendszer kizárólag egydimenziós modelleket használ a síkbeli mérések kiértékelésére. Mivel ezek a modellek csak egyetlen térbeli irány mentén írják le a hőterjedést, eleve nem lehet különbséget tenni a síkbeli és a síkbeli diffúziós képesség között. A kifejezett anizotrópiával rendelkező anyagok, például a grafitfóliák esetében ez elkerülhetetlenül a hődiffúziós képesség alulbecsléséhez vezet.
A választott modell hatása a mérési eredményre
A 3. ábra mutatja a grafitfólia Termikus diffúziós képességA hővezető képesség (a mm2/s egységgel) egy anyagspecifikus tulajdonság, amely az instacionárius hővezetés jellemzésére szolgál. Ez az érték azt írja le, hogy egy anyag milyen gyorsan reagál a hőmérsékletváltozásra.termikus diffúziós képességét szobahőmérsékleten a síkbeli és síkbeli irányokban. A felületre merőleges (síkbeli) hővezető képességet a Lehman-fok [1] alapján készült standard modellel értékeltük. Ez két nagyságrenddel kisebb, mint a síkbeli termikus diffúziós tényező. Ezért a síkbeli mérés kiértékelésére az ortotróp modellt használjuk. Közelebbről megvizsgálva az izotróp és az anizotróp viselkedés közötti különbség a síkbeli mérésekben jelentős.
A 4. ábra világosan szemlélteti ezt. Itt a grafitfólián végzett mérést mind az izotróp, mind az ortotróp modellel értékelték. Az izotróp kiértékelés lényegesen alacsonyabb értékeket ad (kb. -18%), és lényegesen rosszabb görbeillesztést is mutat.
A hővezető képesség a hőmérséklet és a mérési irány függvénye
Az 5. ábra mutatja a grafitfólia 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 az átmenő és a síkbeli irányban szobahőmérséklettől 500 °C-ig. A hővezető képességet a POCO grafit [2] fajlagos hőkapacitása és a szobahőmérsékleten mért SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség alapján számoltuk ki. 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 a hőmérséklet növekedésével mindkét irányban csökken. A síkbeli 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 jelentősen nagyobb, mint a síkbeli 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.
Összefoglaló
Megfelelő mintatartókkal kombinálva a lézeres villanáselemzés lehetővé teszi a grafitfóliák erősen anizotróp 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 megbízható meghatározását mind az átmenő, mind a síkbeli irányban. Ez nagyságrendekkel nagyobb síkbeli hővezető képességet mutat, ami kulcsfontosságú a hő hatékony eloszlásához és a forró pontok csökkentéséhez. A pontos kiértékeléshez elengedhetetlen az anizotrópiát figyelembe vevő modell használata, mivel az izotróp megközelítések jelentősen alulbecsülik a tulajdonságokat.