粒径による金属の熱拡散率

はじめに

熱拡散率aは、熱伝導率λと並んで重要な熱物理パラメータです。定常的な熱伝導率を表す熱伝導率とは対照的に、熱拡散率αは材料の過渡的な熱伝導を表すパラメータです。熱伝導率を計算するには、比熱容量（_{比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp}）と密度（ρ）に加えて、熱拡散率（a）が必要です：

λ =_{α-比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp-ρ}

比熱容量は化学組成にのみ依存する。密度は、材料の巨視的構造（気孔な ど）の関数である。熱拡散率は、マクロ構造に依存するが、部分的には試料のミクロ構造にも依存する。

以下では、銅試料の熱拡散率を結晶粒径の関数として示します。原則として、粒径が小さい（＝粒界が多い）ほど熱拡散率は低くなります。アディティブ・マニュファクチャリングで製造された銅試料の構造は、加熱と冷却のサイクルが比較的短いため、small 粒が多く、粒界が多いのが特徴です。試料を焼戻し（1000℃で1時間）すると、結晶粒が著しく大きくなり、粒界が少ない構造になります。微細構造の比較を図1に示す。

測定条件

2種類の銅試料の室温における熱拡散率の測定は、LFA467HyperFlash を用いて行いました。LFA試料の直径は12.7mm、厚さは3mmであった。銅試料の発光・吸収特性を向上させるため、測定前に試料をグラファイトで軽く（不透明ではない）コーティングした。

測定結果

結果を表1にまとめる。焼き戻し後の試料は116.88 mm²/sで、純銅の文献値117 mm²/s[1]に近い値を示しています。アディティブ・マニュファクチャリング直後の銅試料は、微細構造が小さく、熱拡散率が108.97 mm²/sと著しく低い。

結論

LFAは非接触測定法であり、接触熱抵抗に邪魔されることなく、微細構造の変化によって生じるようなsmall の違いさえも確実に解決することができる。

謝辞

付加製造と銅試料の焼き戻しを行ったInfinite Flex GmbHと、顕微鏡写真を提供したバイロイト大学金属学部に感謝する。

表1：異なる構造を持つ純銅の室温における熱拡散率