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圧縮性試料の熱伝導率-粒子径と密度の影響

はじめに

粉末材料、例えばCNT粉末は特殊な構造をしているため、その熱物性は温度だけでなく圧力にも依存する。そこで、NETZSCH 、15MPaまでの圧力と300℃までの測定を校正できる特別な圧力サンプルホルダーを開発した。サンプルは2枚の金属板の間で測定されます。測定は、ソフトウェアに統合された3層モデルを使用して評価されます。

カーボンチューブ(CNT)は、非常に高い熱伝導率とともに、ユニークな電子的・機械的特性を特徴としています。CNTポリマー/CNTナノコンポジットを使用する場合、熱拡散率と熱伝導率の知識は極めて重要な熱物理パラメータとなります。図1は、熱拡散率に対する密度の依存性を明確に示している。このような材料や繊維の測定条件を改善するために、レーザーフラッシュ分析(LFA)用の特殊なサンプルホルダーが開発されました。

1) 異なる粒子径のCNT粉末、圧力サンプルホルダーで測定

圧力サンプルホルダー

加圧サンプルホルダー(図2)は、粉末状のサンプルを調査できるように設計されている。2枚のアルミニウム製ディスクと加圧スクリューにより、サンプルホルダーを圧縮して調べることができる。以下では、さまざまな測定結果を温度の関数として示す。最大測定時間と試料ホルダーの影響についても説明する。

2) 新しい加圧サンプルホルダー

一般データ

  • 容量、最大 0.5 ml
  • トルク範囲:少なくとも0.6Nm

試料ホルダーの準備

  1. アルミニウム製円盤の外側にグラファイトをコーティング
  2. サンプルホルダーへのアルミニウム製円盤の挿入
  3. 試料に粉末を充填し、2枚目のアルミニウム製ディスクを挿入する。
  4. プレッシャースクリューに少なくとも0.6 Nmのトルクを加える。
  5. 外部マイクロメーターによる試料厚さの測定(注意:グラファイト層)

熱拡散率の測定により、以下の結果が得られた(図3および図4の検出器信号)。

3) 25℃から20℃の温度範囲における黒鉛粉末の平均トルクの調査
4) 200℃におけるグラファイト粉末の検出信号

粉末状の標準物質がないため、固体試料を追加調査しました。熱拡散率の低いベスペル(厚さ2.0 mm)は、通常の測定時間(半減期10回)で、文献値(0.249 mm²/s)に対して±5%で測定できます。測定時間が測定誤差に及ぼす影響を表1に示します。

サンプルのセットアップ

  • 測定1~5:標準モデル。試料ホルダーの影響を調べるため、アルミニウム円盤のない試料のみを考慮。総厚み:2mm
  • 測定6~8:3層システム、アルミニウム円盤の厚みと熱物性を考慮:総厚み4 mm

測定結果とその評価

測定1~5(表1)は、熱拡散率の低い試料(Vespel)を25℃で測定した場合、文献値(Vespel at 25℃:0.249mm²/s)と比較して±5%の許容範囲内で測定できることを示しています。測定時間が半分の5時間では偏差が小さくなっていますが、これはおそらく試料ホルダーを介した外部からの熱流に関係していると考えられます。

最大厚さ1 mmまでの粉末試料を測定できると仮定できます。これより厚い試料では、S/N比が悪化し、信頼できる測定値を得ることができません。グラファイト粉末の温度依存性結果に関しては、この許容誤差は文献値と比較して±10%以内である。

非常に高い偏差(測定7~8)は、熱接触抵抗の影響によるものである。このため、接触抵抗の追加測定が実施され、評価に考慮された。

表1:熱拡散率の低い材料の測定時間の影響

#

測定時間

測定時間

測定時間

絶対値/ms

モデル

測定値

mm²/s

測定値/mm²/s

(半減5回)

偏差

偏差

(半減5回)

1半減10回23000標準偏差0.2370.251-4.80.8
220回ハーフ49000標準0.2350.251-5.60.8
330 ハーフタイム70000標準0.2310.254-7.22.0
440回ハーフ93000標準0.2370.243-4.8-2.4
5ロングデータ取得83000標準0.2370.254-4.82.0
610 半分250003層0.161>20
710 半分300003-layer
(グラファイト接着剤)
0.191-20
810 半分300003-layer
(WLP)
0.214-14.1

接触抵抗の考慮

表1の#6から#8の測定は接触抵抗を考慮していない。そのため、熱拡散率の計算値の偏差が大きくなっています。6の場合、接触抵抗の追加測定が行われた。接触抵抗を考慮することで、熱伝導性ペーストを使用しない2枚の金属ディスクを使用した場合の偏差は、以下の計算で示されるように、約11%に減少します:

サンプルホルダを介した熱流を評価するため、サンプルなしの測定が行われました(図5)。試料ホルダーの壁を介した熱流を除外するために、検出器の信号がゼロ線にできるだけ近くなることが期待される。測定開始時(ピーク)の急激な増加は、おそらく空気層を介した熱伝達によって説明できる。真空下での測定により、これに関する情報が得られる可能性がある。10000ms以上では、別の最大値が認められる。さらに40000msまで進むと、0ラインへのわずかな減少が見られる。これは、試料ホルダーにわずかな外部熱が流れていることを示しています。測定時間1000msを超える高い偏差を持つベスペル測定を考慮に入れると、測定時間(10回半)が1000msの値を超えないように粉末試料の層厚をselect 。これが不可能な場合は、計算時間(計算範囲の設定)を最大10000msに設定する必要があります。10000ms。10000msを超えると、外部熱流のオーバーラップが予想され、信号の最大値、ひいては半減時間がより高い値(=熱拡散率が低い)にシフトすることが予想されます。

接触抵抗の影響を考慮するため、2層測定(2枚の金属板を重ね合わせる)を行った。そして、求めた接触抵抗を熱伝導率の補正(熱抵抗の加算)に使用した。以下の接触測定は、金属ディスクの位置を変えて(エアギャップ/接触部を変えて)実施されたことに言及しなければならない。圧力試料ホルダーの測定不確かさは11%と見積もられました。

図6から図12は、Vespel測定に関連する検出器信号を示しています。

5) 再圧サンプルホルダーの空信号;2枚のアルミディスクとPEEKスペーサーを空気下に置く。
6) 測定時間5×半時間の検出信号
7)測定時間10×半時間の検出器信号
8) 測定時間20×半時間の検出信号
9)測定時間30×半時間の検出器信号
10) 最大測定時間80秒における検出器信号
11)3層式測定時の検出器信号
12) 真空下での撮影

概要

LFA 467HT HyperFlash® では、粉末試料用の特別な試料ホルダーを用意しています。機械的圧力下での測定が可能で、高度な試料前処理が必要です。層厚の慎重な選択とグラファイト層の塗布により、測定の不確かさは±5%に達します。試料ホルダーにリファレンス試料(粉体なし)を入れた試験測定では、金属プレートと試料間の接触抵抗が加わると測定結果が大きく変わることが示されています。

サンプルホルダーの注文番号

サンプルホルダーは以下の注文番号でご注文いただけます:

アルファ467:6.257.1-91.9.00*。

アルファ467HT:アルファ46700B96.020-00

*推奨測定時間 < 10000 ms.