L'analisi del flash laser rende misurabile il trasferimento di calore nei materiali anisotropi

Introduzione

Le lamine di grafite sono utilizzate in molte applicazioni tecniche in cui è richiesta un'efficiente dissipazione del calore nonostante lo spessore ridotto del materiale, come ad esempio nell'elettronica, nella tecnologia energetica e nell'ingegneria meccanica. Oltre alla loro elevata resistenza termica e chimica, si distinguono per la loro pronunciata Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica anisotropa.

Mentre la loro Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica perpendicolare al piano della lamina (through-plane) è relativamente bassa, presentano una Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica molto elevata nel piano (in-plane). Queste proprietà sono in gran parte legate alla produzione, ad esempio alla laminazione. La conducibilità termica nel piano consente una rapida distribuzione laterale del calore sulla superficie della lamina. Ciò è particolarmente importante per ridurre i punti caldi locali, in quanto consente di dissipare efficacemente le fonti di calore localizzate. Le lamine di grafite agiscono quindi come diffusori di calore, contribuendo in modo significativo alla Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica e all'affidabilità dei moderni sistemi tecnici.

Attraverso il piano e dentro il piano

La determinazione accurata della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica passante e interna al piano è di fondamentale importanza per la progettazione di molte applicazioni tecniche. LFA (Laser Flash Analysis) è in grado di gestire questo compito in modo semplice e intuitivo grazie ai portacampioni e ai modelli adatti. Le misure sul piano passante vengono eseguite utilizzando il portacampione a lamina, ottimizzato per la misurazione di campioni sottili (vedi figura 1, a sinistra). Le misure in piano, invece, vengono eseguite utilizzando il portacampione in piano (flusso di calore verso l'interno); si veda la figura 1, a destra.

Le misure sul piano passante vengono eseguite perpendicolarmente alla superficie del campione. Le misure in piano utilizzano un'illuminazione ad anello del campione, mentre l'aumento di temperatura viene rilevato al centro del campione. In questo modo il segnale di misura è caratteristico della conduzione del calore nel piano. La Figura 2 mostra uno schizzo che illustra questo aspetto.

Condizioni di misura

Le condizioni di misura sono riportate nella tabella 1.

Tabella 1: Condizioni di misura

Modello ortotropo

Per tenere conto della marcata anisotropia dei fogli di grafite durante la valutazione, il modello ortotropo descrive la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica come una quantità che dipende dalla direzione, con due componenti indipendenti: una perpendicolare al piano del campione (α ) e una nel piano (α||). Ciò si riflette direttamente nell'equazione di conduzione del calore.

Qui, z indica la direzione perpendicolare alla superficie del campione (piano passante) e r la direzione radiale nel piano (in-plano). Invece di assumere una diffusività uniforme in tutte le direzioni, il modello incorpora valori di parametro indipendenti per α|| e α , consentendo di tenere conto dell'effettiva propagazione del calore nei materiali anisotropi. Quando si valuta una misura in piano, la diffusività passante, α , precedentemente determinata in una misura separata, viene incorporata nel calcolo come parametro di ingresso noto. Ciò consente di determinare con precisione α||.

Molti sistemi LFA commerciali utilizzano esclusivamente modelli monodimensionali per valutare le misure in piano. Poiché questi modelli descrivono solo la propagazione del calore lungo una singola direzione spaziale, è impossibile distinguere tra la diffusività in piano e quella attraverso il piano fin dall'inizio. Per i materiali con anisotropia pronunciata, come le lamine di grafite, questo porta inevitabilmente a sottostimare la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica.

Impatto del modello scelto sul risultato della misurazione

La Figura 3 mostra la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica della lamina di grafite a temperatura ambiente nelle direzioni del piano passante e del piano interno. La Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica perpendicolare alla superficie (piano passante) è valutata con il modello standard, basato su Cape Lehman [1]. Questa è di due ordini di grandezza inferiore alla Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica in piano. Per valutare la misura in piano si utilizza quindi il modello ortotropo. A un esame più attento, la distinzione tra comportamento isotropo e anisotropo nelle misure in piano è significativa.

La Figura 4 lo illustra chiaramente. In questo caso, la misura sulla lamina di grafite è stata valutata utilizzando sia il modello isotropo che quello ortotropo. La valutazione isotropa produce valori significativamente più bassi (circa -18%) e mostra anche un adattamento della curva significativamente peggiore.

Conducibilità termica in funzione della temperatura e della direzione di misurazione

La Figura 5 mostra la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica del foglio di grafite in direzione passante e in piano da temperatura ambiente a 500°C. La Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica è stata calcolata utilizzando la Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica della grafite POCO [2] e la densità a temperatura ambiente. La Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica diminuisce con l'aumentare della temperatura in entrambe le direzioni. La Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica in-plane è significativamente più alta della Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica through-plane.

Sintesi

In combinazione con i portacampioni adatti, l'analisi laser flash consente di determinare in modo affidabile la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica altamente anisotropa delle lamine di grafite sia in direzione del piano passante che in direzione del piano. Ciò rivela una conducibilità termica in piano che è di ordini di grandezza superiore, il che è fondamentale per la distribuzione efficiente del calore e la riduzione dei punti caldi. Per garantire una valutazione accurata, è essenziale utilizzare un modello che tenga conto dell'anisotropia, poiché gli approcci isotropi sottostimano significativamente le proprietà.