Bevezetés
Csak a nagy érzékenységű, megfelelő impulzusszélességgel és fejlett adatkiértékeléssel rendelkező villanórendszerek képesek a vékony, nagy vezetőképességű anyagok pontos mérésére. Az ilyen anyagok mérésekor a legnagyobb kihívást a rendkívül rövid mérési idő jelenti. Ehhez nagy adatgyűjtési sebességre és nagyon alacsony impulzusszélességre van szükség.
A réz tökéletes példa erre. A 0,3 mm-től akár több milliméteres vastagsággal gyakran használják hőelosztóként, hordozórétegként vagy strukturált hűtőlemezként, ahol mind az oldalsó hőelosztásra, mind a megbízható mechanikai integrációra szükség van. Jellemző alkalmazások találhatók a teljesítményelektronikában, az akkumulátortechnikában és a nagy hőterhelésnek kitett szerelvényekben, ahol a kompakt kialakítás és a hatékony hőelvezetés kulcsfontosságú.
Módszer és mérések Feltételek
Az LFA 707 StratoFlash® Classic olyan lézerrel van felszerelve, amely nagy energiasűrűséget ér el, ami különösen magas hőmérsékleten szükséges. Vékony anyagok mérésekor azonban az alacsony energiabevitel elengedhetetlen a károsodás és a túlmelegedés elkerülése érdekében.
Az állítható impulzusszélességnek és feszültségnek köszönhetően az LFA 707 StratoFlash® Classic az energiabevitelt a mérési követelményekhez tudja igazítani. Az érzékelő 2 MHz-es adatgyűjtési sebességgel rendelkezik, ami még a legrövidebb mérési idők mellett is elegendő számú adatpontot biztosít.
A mérési feltételeket az 1. táblázat részletezi.
Táblázat: Mérési feltételek
| Anyag | Tiszta réz |
| Vastagság | 0.32 mm és 4 mm között |
| Mintatartó | Ø 12,7 mm |
| Hőmérséklet | Szobahőmérséklet |
| Impulzusszélesség | 100-600 μs |
| Modell | Standard modell, Cape Lehmann alapján, impulzuskorrekcióval |
Mérési eredmények és megbeszélés
Az 1. ábra a különböző vastagságú réz 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, 0,32 mm-től 4 mm-ig. Minden eredmény ±2,5 %-on belül van az irodalmi értékhez képest, amely szobahőmérsékleten kb. 117 mm²/s [1].
Az impulzus hosszát a vastagságnak és a mérési időnek megfelelően állítottuk be, 100 μs és 600 μs között. A felezési idő (t1/2) két nagyságrendben változott, a 0,32 mm-es minta esetében kb. 210 μs-tól a legvastagabb, 4 mm-es minta esetében 24 ms-ig.
A 2. ábra a minimális és maximális vastagságú minták jeleit mutatja. Mindkét mérés jel-zaj viszonya nem ideális. Ez a túlmelegedés megelőzésére használt alacsony energiabevitelnek és a szobahőmérsékleten végzett méréseknek tudható be. Mindazonáltal a matematikai modell tökéletesen illeszkedik az adatokhoz, ami kritikus fontosságú a rendkívül pontos eredmények eléréséhez. A lézervillanás-elemzésben a hővezetési egyenlet analitikus megoldásán alapulnak a hővezetési egyenlet analitikus megoldásán alapuló matematikai modellek, azonnali energiabevitelt (Dirac-impulzus) feltételezve. A valóságban azonban a lézerimpulzus mindig véges időtartamú. Viszonylag hosszú mérési idejű minták esetében az impulzus időtartama jellemzően sokkal rövidebb, mint a jellemző mérési idő, így az ideális feltételezéstől való eltérések elhanyagolhatóak (2. ábra: 4 mm-es réz).
A nagy vezetőképességű anyagok, például a réz esetében, különösen a vékony minták mérésekor a hőreakció nagyon rövid időn belül bekövetkezik. Ilyen esetekben az impulzus időtartama a minta jellemző diffúziós idejével azonos nagyságrendű (2. ábra: 0,32 mm-es réz). Ez átfedéshez vezet a fűtési fázis és a minta hőreakciója között, ami torzíthatja a hőmérsékleti görbét és következésképpen a számított hődiffúziós képességet.
Impulzus korrekció
E hatás figyelembevétele érdekében a NETZSCH LFA Proteus® elemző szoftver automatikusan alkalmazza az exponenciális impulzus korrekciót [2]. Ahelyett, hogy pillanatnyi energiabevitelt feltételeznénk, a kiértékelés során a lézerimpulzus valós jelét vesszük figyelembe. Ezt az impulzusjel konvolúcióval történő beépítésével érik el, ami lehetővé teszi az időfüggő hőbevitel figyelembevételét a hőmérséklet-válasz kiszámításakor. Ily módon az értékelt hődiffúzió a tényleges kísérleti körülményeket tükrözi, nem pedig egy idealizált pillanatnyi impulzust.
Azáltal, hogy a kiértékelés során figyelembe vesszük a tényleges impulzus alakját, az impulzus korrekció jelentősen javítja 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 meghatározásának pontosságát vékony és nagy vezetőképességű minták esetében. Ez egyre fontosabbá válik a minta vastagságának csökkenésével és 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 növekedésével.
Rendkívül rövid mérési idők és így rendkívül rövid t1/2 esetén a robusztus és pontos impulzuskorrekció a legfontosabb elemzési jellemző. Ezt a 3. ábra szemlélteti. Az 1. ábrához hasonlóan a kék pontok a különböző vastagságú réz 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 jelölik. Ebben az esetben az impulzus korrekciót használtuk kiértékelésre. A narancssárga háromszögek ugyanezeket a méréseket ábrázolják, de az értékelést impulzusjavítás nélkül végeztük. A minta vastagságának csökkentése - ami rövidebb mérési időt eredményez - az impulzusok átfedéséből eredő hibák növekedéséhez vezet.
Következtetés
Az eredmények azt mutatják, hogy az LFA 707 StratoFlash® Classic segítségével még a vékony, nagy vezetőképességű rézminták is pontosan mérhetők rendkívül rövid hőreakciós idővel. Az állítható impulzusvezérlés, a nagysebességű adatgyűjtés és a fejlett impulzuskorrekció kombinációja még igényes mérési körülmények között is megbízható hődiffúziós eredményeket biztosít. Ez teszi az LFA 707 StratoFlash® Classic az LFA 707-et nagy teljesítményű megoldássá a nagyon nagy 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 képességű anyagok jellemzésére