Bevezetés
A hatékony hőelvezetés elengedhetetlen a nagy teljesítményű elektronika és optoelektronika területén, ahol nagyon szűk térben jelentős hőterhelés lép fel.
A gyémánt különösen alkalmas ilyen alkalmazásokra, mivel rendkívüli keménységét a természetben előforduló anyagok közül a legmagasabb hővezető képességgel ötvözi, amely szobahőmérsékleten meghaladja a 2000 W/(m·K) értéket. Alacsony hőtágulása és elektromos szigetelő képessége tovább támogatja alkalmazását igényes hűtési koncepciókban.
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 képességének pontos vizsgálata azonban továbbra is kihívást jelent a kivételes hőátadási képessége és optikai átlátszósága miatt, ami miatt a módszer, a műszer és az eljárás kiválasztása kritikus fontosságú.
Fejlett síkbeli tesztelés
A gyémánt síkirányú hőterjedési együtthatójának vizsgálatakor általában meghatározott vastagsági követelményeket támasztanak a mintával szemben [1].
Ha a minta nagyon vékony, a hőátadás rendkívül rövid idő alatt megtörténik. Ezért a kiváló minőségű detektorjel eléréséhez különösen fontos a magas időbeli felbontás. Bár a mindössze 10 µs-os impulzusidők elősegítik a jobb jelrögzítést, a szűk mérési ablak növelheti a jelelválasztás és a görbeillesztés bonyolultságát. Ezen tényezők megfelelő figyelembevételével azonban még így is megbízható számítások érhetők el.
Az NETZSCH LFA 717 HyperFlash® példájánál a detektor adatgyűjtési frekvenciája 2 MHz, ami 0,5 μs-os időintervallumot eredményez a szomszédos adatpontok között. Az ASTM E1461 szerint általában legalább 100 adatpont rögzítése szükséges a felezési időig (t₁/₂). Az ultramagas hővezető képességgel rendelkező átlátszó gyémántminták esetében azonban 250 adatpont rögzítése ajánlott, ami 0,125 ms-os minimális felezési időt (t₁/₂) eredményez. A minimális vizsgálható minta vastagság (dₘᵢₙ) ezután nagyjából a Parker-képlet segítségével becsülhető meg, ahol α a minta síkjára merőleges irányú hőterjedési együtthatója:
Az α értéke körülbelül 1000 mm²/s-os egykristályos gyémánt esetében a megfelelő vizsgálati pontosság biztosítása érdekében ajánlott, hogy a minta vastagsága ne legyen kevesebb, mint 0,95 mm. Bár ennél kissé vékonyabb minták is használhatók, a jel minősége romlik, például csökken a jel-zaj arány.
Ha a minta vastagsága jelentősen kisebb, mint ez az ajánlott vastagság, akkor hogyan kell megvizsgálni a hőterjedési együtthatót?
Ilyen esetekben a mintát síkirányú tartóval lehet vizsgálni (1. ábra), amely hosszabb hőterjedési utat eredményez a mintán belül, így a síkirányú hőterjedés mérhető.
Az 1. táblázat összefoglalja a síkban elhelyezett mintatartóval egy 0,638 mm vastag gyémántminta esetében kapott síkbeli hőterjedési együttható eredményeit. A méréseket szobahőmérsékleten végezték. A síkirányú hőterjedési tényező átlagos értéke 1126,6 mm²/s volt, 8,6 mm²/s szórással. Az egyes mérések közötti kis szórás a mérés kiváló ismételhetőségét bizonyítja. A mért síkbeli érték összhangban van azzal a diffúziós érték-tartománnyal, amelyet a 438. alkalmazási jegyzetben síkirányban elemzett, hasonló gyémántminták esetében figyeltek meg. Ez az egyezés megerősíti, hogy a síkbeli LFA-felállítás alkalmas a nagyon magas hődiffúziós együtthatóval rendelkező anyagok jellemzésére.
A megfelelő hőmérséklet-emelkedési görbét a 2. ábra mutatja be. A mért jel a fényimpulzus után azonnal meredek emelkedést mutat, amelyet fokozatos csökkenés követ. A kísérleti görbe és a hozzá illesztett modellgörbe közötti nagyon jó egyezés arra utal, hogy a kiválasztott síkbeli hőáramlási modell pontosan leképezi a gyémántminta hőválaszát. A stabil illesztési minőség és az alacsony mérési bizonytalanság alátámasztja a kapott síkbeli diffúziós együttható értékének megbízhatóságát.
Következtetés
Az eredmények egyértelműen bizonyítják, hogy az LFA-módszer alkalmas 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 anyagok síkirányú vizsgálatára. Még a gyémánt esetében is, amely nagyon gyors hőterjedést mutat, a síkirányú mérés rendkívül jól reprodukálható és megbízható eredményeket szolgáltatott.
Az átlagos síkbeli hőterjedési együttható értéke (1126,6 mm²/s), a hozzávetőlegesen 0,76 %-os relatív szórással együtt, megerősíti a mérési módszer stabilitását. A mért hőmérséklet-emelkedési görbe és a hozzá illesztett modell közötti kiváló egyezés tovább támasztja az alkalmazott síkbeli értékelés érvényességét.
Ezért a síkirányú LFA-elemzés értékes módszert jelent az irányított hőátadási tulajdonságok meghatározásához, különösen vékony és 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 anyagok esetében. Megfelelő mintatartóval, alkalmas mérési paraméterekkel és egy speciális síkirányú értékelési modellel megbízható síkirányú hőterjedési adatok nyerhetők.
Ezek a megbízható értékek segítik az anyagválasztást, a hőtechnikai tervezést és a szimulációk pontosságát, hozzájárulva a helyi túlmelegedés csökkentéséhez, valamint az alkatrészek teljesítményének és élettartamának javításához.