Bevezetés
A poranyagok, pl. a CNT porok különleges szerkezete miatt termofizikai tulajdonságaik nemcsak a hőmérséklettől, hanem a nyomástól is függnek. A NETZSCH ezért kifejlesztett egy speciális nyomástartó mintatartót, amely 15 MPa-ig kalibrált nyomást és 300°C-os méréseket tesz lehetővé. A minta mérése két fémlemez között történik. A mérés kiértékelése a szoftverbe integrált 3 rétegű modell segítségével történik
A széncsövek (CNT) egyedülálló elektronikus és mechanikai tulajdonságokkal, valamint szokatlanul magas hővezető képességgel rendelkeznek. A hődiffúziós képesség 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 ismerete kulcsfontosságú termofizikai paraméterek a CNT polimer/CNT nanokompozitok alkalmazásakor. Az 1. ábra jól mutatja a SűrűségA tömegsűrűséget a tömeg és a térfogat arányaként határozzák meg. sűrűség és a hővezetési képesség függését. Az ilyen anyagok, de a szálak mérési körülményeinek javítása érdekében egy speciális mintatartót fejlesztettek ki a lézeres villanáselemzésekhez (LFA).
Nyomásos mintatartó
A nyomásos mintatartót (2. ábra) úgy tervezték, hogy képes legyen por alakú minták vizsgálatára. Két alumínium tárcsa és egy nyomócsavar lehetővé teszi a vizsgálandó mintatartó összenyomását. A következőkben különböző méréseket mutatunk be a hőmérséklet függvényében. A maximális mérési időt és a mintatartó hatását tárgyaljuk.
Általános adatok:
- Térfogat, maximum: 0.5 ml
- Nyomatéktartomány: legalább 0,6 Nm
A mintatartó előkészítése:
- Az alumíniumkorongok külső oldalán grafit bevonata
- Az alumíniumkorong behelyezése a mintatartóba
- A minta feltöltése porral és egy második alumíniumkorong behelyezése
- Legalább 0,6 Nm nyomaték alkalmazása a nyomócsavarra egy nyomatékmérő segítségével
- A minta vastagságának meghatározása egy külső mikrométer segítségével (Figyelem: grafitréteg!)
A 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 képesség mérése a következő eredményeket adja (3. ábra, valamint a 4. ábrán látható detektorjel).
A por alakú referenciaanyagok hiánya miatt a szilárd mintákat is megvizsgálták. Az alacsony 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 Vespel (2,0 mm vastagság) a szokásos mérési idővel (10 félszer) ± 5%-kal mérhető az irodalmi értékhez (0,249 mm²/s) képest. A mérési idő hatását a mérési hibára az 1. táblázat mutatja.
Minta beállítása:
- 1-5. mérés: standard modell, csak az alumíniumkorongok nélküli minta figyelembevétele a mintatartó hatásának vizsgálatához. Teljes vastagság: 2 mm
- 6-8. mérés: 3 rétegű rendszer, az alumíniumkorongokat a vastagsággal és a termofizikai tulajdonságokkal együtt vették figyelembe: Teljes vastagság: 4 mm
Mérési eredmények és értékelésük
Az 1-5. mérés (1. táblázat) azt mutatja, hogy az alacsony 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 minták (Vespel) 25°C-on az irodalmi értékekhez képest ± 5%-os tűréshatáron belül mérhetők (Vespel 25°C-on: 0,249 mm²/s). Az eltérések 5 félszeres mérési időnél kisebbek, ami valószínűleg a mintatartón keresztüli külső hőáramlással hozható összefüggésbe.
Feltételezhető, hogy legfeljebb 1 mm vastagságú porminták mérhetők. Vastagabb minták esetén a jel-zaj viszony romlik, és nem lehet megbízható mérési értékeket létrehozni. A grafitpor hőmérsékletfüggő eredményei tekintetében ez a tűréshatár az irodalmi értékhez képest ± 10%-on belül van.
A nagyon nagy eltérések (7-8. mérés) a termikus érintkezési ellenállás hatásának tudhatók be. Emiatt az érintkezési ellenállás további méréseket végeztek, amelyeket az értékelésnél figyelembe vettek.
1. táblázat: A mérési idő hatása egy alacsony hővezetési képességű anyagra
# | Mérés idő | Mérési idő abszolút/ms | Modell | Mérési érték/ mm²/s | Mérési érték/mm²/s (5 félszeres) | Eltérés/% | Eltérés/% (5 félszeres) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 10 félszeres | 23000 | Standard | 0.237 | 0.251 | -4.8 | 0.8 |
| 2 | 20 félidő | 49000 | Szabványos | 0.235 | 0.251 | -5.6 | 0.8 |
| 3 | 30 félidő | 70000 | Szabványos | 0.231 | 0.254 | -7.2 | 2.0 |
| 4 | 40 félidő | 93000 | Szabványos | 0.237 | 0.243 | -4.8 | -2.4 |
| 5 | Hosszú adatgyűjtés | 83000 | Szabványos | 0.237 | 0.254 | -4.8 | 2.0 |
| 6 | 10 félidő | 25000 | 3 rétegű | 0.161 | >20 | ||
| 7 | 10 félszeres | 30000 | 3 rétegű (grafitragasztó) | 0.191 | -20 | ||
| 8 | 10 félidő | 30000 | 3 rétegű (WLP) | 0.214 | -14.1 |
Az érintkezési ellenállás figyelembevétele
Az 1. táblázat 6-8. mérései nem veszik figyelembe az érintkezési ellenállásokat. Ennek megfelelően a számított hődiffúziós értékek eltérései ennek megfelelően nagyok. A 6. mérési szám esetében további érintkezési ellenállásméréseket végeztek. Az érintkezési ellenállás figyelembe vételével az eltérés két, hővezető paszta nélküli fémlemez használatával körülbelül 11%-ra csökken, amint azt a következő számítás is mutatja:
A mintatartón keresztül történő hőáramlás felmérése érdekében minta nélküli méréseket végeztek (5. ábra). A mintatartó falán keresztül történő hőáramlás kizárása érdekében a lehető legközelebbi detektorjelet várnak el a nulla vonalhoz. Az elején tapasztalható éles növekedés (csúcs) valószínűleg a légrétegen keresztül történő hőátadással magyarázható. Erről a vákuumban végzett mérések adhatnak információt. 10000 ms felett egy másik maximum is felismerhető. A továbbiakban 40000 ms-ig enyhe csökkenés figyelhető meg a 0 vonalig. Ez a mintatartón keresztül történő enyhe külső hőáramlást jelzi. Az 1000 ms mérési idő feletti nagyobb eltéréseket mutató Vespel-mérést figyelembe véve levezethető az az ajánlás, hogy a select a porminták rétegvastagságát úgy kell meghatározni, hogy a mérési idő (10 félszeres) ne haladja meg az 1000 ms értéket. Ha ez nem lehetséges, akkor a számítási időt (számítási tartomány beállítása) max. 10000 ms-ra. 10000 ms felett az említett külső hőáram átfedése várható, a jelmaximum és így a felezési idő magasabb értékekre (= kisebb hődiffúziós tényező) tolódása várható.
Az érintkezési ellenállás hatásának figyelembevétele érdekében 2 rétegű méréseket végeztünk (2 fémlemez egymáson). A meghatározott érintkezési ellenállást ezután 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 korrekciójára használták (a termikus ellenállások összeadása). Meg kell említeni, hogy a következő érintkezési méréseket a fémlemezek megváltozott helyzetével (megváltozott légrés/érintkezés) végeztük. A nyomásmintatartó esetében 11%-os mérési bizonytalanságot becsültünk.
A 6-12. ábra a Vespel-mérésekhez tartozó detektorjeleket mutatja.
Összefoglaló
Az LFA 467 HT HyperFlash készülékhez egy speciális mintatartó áll rendelkezésre a pormintákhoz. Ez lehetővé teszi a mechanikai nyomás alatti méréseket, és nagyfokú mintaelőkészítést igényel. A rétegvastagság gondos megválasztása és a grafitréteg felvitele esetén ± 5%-os mérési bizonytalanság érhető el. A mintatartóban lévő (por nélküli) referenciamintákkal végzett tesztmérések azt mutatták, hogy a fémlemezek és a minta közötti további érintkezési ellenállások jelentősen megváltoztathatják az eredményt.
A mintatartó rendelési számai
A mintatartók a következő rendelési számok alatt rendelhetők:
LFA 467: 6.257.1-91.9.00*
LFA 467 HT: LFA46700B96.020-00*
*Ajánlás: Mérési idő < 10000 ms.