粒径の関数としての金属の熱拡散率

はじめに

熱伝導率λと並んで、熱拡散率aは重要な熱物理パラメータです。定常的な熱伝導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ったものである。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ったものである。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サンプルの構造は、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、結晶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種類の銅サンプルの室温における熱拡散率の測定は、LFA 467HyperFlash を用いて実施した。LFAサンプルの直径は12.7mm、厚さは3mmでした。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不透明ではなく軽くコーティングした。

測定結果

結果を表1に要約する。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サンプルは、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、接触抵抗の邪魔な影響を受けることなく、微細構造の変化によって引き起こされるようなsmall の違いさえも確実に解決することができる。

謝辞

付加製造と銅サンプル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での熱拡散率