소개
CNT 분말과 같은 분말 재료의 특수한 구조로 인해 열물리학적 특성은 온도뿐만 아니라 압력에 따라 달라집니다. NETZSCH 따라서 최대 15MPa의 보정 압력과 300°C까지 측정할 수 있는 특수 압력 샘플 홀더를 개발했습니다. 샘플은 두 개의 금속판 사이에서 측정됩니다. 측정은 소프트웨어에 통합된 3계층 모델을 사용하여 평가됩니다
탄소 튜브(CNT)는 비정상적으로 높은 열전도율과 함께 독특한 전자 및 기계적 특성이 특징입니다. 열 확산률과 열 전도도에 대한 지식은 CNT 폴리머/CNT 나노 복합체를 사용할 때 중요한 열물리학적 파라미터입니다. 그림 1은 열확산도에 대한 밀도의 의존성을 명확하게 보여줍니다. 이러한 재료뿐만 아니라 섬유에 대한 측정 조건을 개선하기 위해 레이저 플래시 분석(LFA)을 위한 특수 시료 홀더가 개발되었습니다.
압력 샘플 홀더
압력 샘플 홀더(그림 2)는 분말 형태의 샘플을 조사할 수 있도록 설계되었습니다. 두 개의 알루미늄 디스크와 압력 나사로 시료 홀더를 압축하여 조사할 수 있습니다. 아래에는 온도에 따른 다양한 측정값이 나와 있습니다. 최대 측정 시간과 시료 홀더의 영향에 대해 설명합니다.
일반 데이터:
- 용량, 최대: 0.5 ml
- 토크 범위: 최소 0.6 Nm
샘플 홀더 준비:
- 알루미늄 디스크의 외부를 흑연으로 코팅합니다
- 시료 홀더에 알루미늄 디스크 삽입
- 시료에 파우더를 채우고 두 번째 알루미늄 디스크를 삽입합니다
- 토크를 통해 압력 나사에 최소 0.6 Nm의 토크를 가합니다
- 외부 마이크로미터를 사용하여 시료 두께 측정(주의: 흑연층!)
열 확산도를 측정하면 다음과 같은 결과가 나옵니다(그림 3 및 그림 4의 검출기 신호).
분말 형태의 기준 물질이 없어 고체 시료를 추가로 조사했습니다. 열확산도가 낮은 베스펠(두께 2.0mm)은 일반적인 측정 시간(10회 반)에서 문헌 값(0.249mm²/s) 대비 ± 5%의 오차로 측정할 수 있습니다. 측정 시간이 측정 오차에 미치는 영향은 표 1에 나와 있습니다.
샘플 설정:
- 측정 1~5: 표준 모델, 시료 홀더의 영향을 조사하기 위해 알루미늄 디스크가 없는 시료만 고려했습니다. 총 두께: 2mm
- 측정 6~8: 3레이어 시스템, 알루미늄 디스크의 두께와 열물리학적 특성을 고려했습니다: 총 두께 4 mm
측정 결과 및 평가
측정 1~5(표 1)는 열 확산도(Vespel)가 낮은 시료를 25°C에서 문헌 값(25°C에서 Vespel: 0.249mm²/s)과 비교하여 ± 5%의 허용 오차 범위 내에서 측정할 수 있음을 보여줍니다. 5배의 측정 시간에서 편차가 더 낮았는데, 이는 아마도 시료 홀더를 통한 외부 열 흐름과 관련이 있을 수 있습니다.
최대 1mm 두께의 분말 시료는 측정할 수 있다고 가정할 수 있습니다. 더 두꺼운 시료의 경우 신호 대 잡음비가 악화되어 신뢰할 수 있는 측정값을 생성할 수 없습니다. 흑연 분말의 온도 의존적 결과와 관련하여 이 허용 오차는 문헌 값과 비교하여 ± 10% 이내입니다.
매우 높은 편차(측정값 7~8)는 열 접촉 저항의 영향으로 인한 것입니다. 이러한 이유로 접촉 저항에 대한 추가 측정을 수행하여 평가에 고려했습니다.
표 1: 열 확산도가 낮은 재료의 측정 시간에 따른 영향
# | 측정 시간 | 측정 시간 절대/ms | 모델 | 측정값/ mm²/s | 측정값/mm²/s (5회 반) | 편차/% | 편차/% (5반복) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 10 절반 | 23000 | 표준 | 0.237 | 0.251 | -4.8 | 0.8 |
| 2 | 20 반회 | 49000 | 표준 | 0.235 | 0.251 | -5.6 | 0.8 |
| 3 | 30 반회 | 70000 | 표준 | 0.231 | 0.254 | -7.2 | 2.0 |
| 4 | 40 절반 | 93000 | 표준 | 0.237 | 0.243 | -4.8 | -2.4 |
| 5 | 장시간 데이터 수집 | 83000 | 표준 | 0.237 | 0.254 | -4.8 | 2.0 |
| 6 | 10 반회 | 25000 | 3-layer | 0.161 | >20 | ||
| 7 | 10회 반 | 30000 | 3-레이어 (흑연 접착제) | 0.191 | -20 | ||
| 8 | 10 반회 | 30000 | 3-layer (WLP) | 0.214 | -14.1 |
접촉 저항 고려
표 1의 6번부터 8번까지의 측정값은 접촉 저항을 고려하지 않았습니다. 따라서 계산된 열 확산률의 편차는 그에 따라 높습니다. 6번의 경우 접촉 저항에 대한 추가 측정이 수행되었습니다. 접촉 저항을 고려하면 다음 계산에서 볼 수 있듯이 열전도 페이스트 없이 두 개의 금속 디스크를 사용하면 편차가 약 11%까지 줄어듭니다:
시료 홀더를 통한 열 흐름을 평가하기 위해 시료 없이 측정을 수행했습니다(그림 5). 샘플 홀더 벽을 통한 열 흐름을 배제하기 위해 가능한 한 제로 라인에 가까운 검출기 신호가 예상됩니다. 시작 부분(피크)의 급격한 증가는 아마도 공기층을 통한 열 전달로 설명할 수 있습니다. 진공 상태에서 측정하면 이에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 10000 ms 이상에서는 또 다른 최대값을 인식할 수 있습니다. 최대 40000ms까지의 추가 과정에서 0 라인으로 약간 감소하는 것을 볼 수 있습니다. 이는 샘플 홀더를 통해 약간의 외부 열이 흐르고 있음을 나타냅니다. 측정 시간 1000ms 이상의 높은 편차를 가진 베스펠 측정을 고려하면, 측정 시간(10회 반)이 1000ms 값을 초과하지 않도록 분말 시료의 층 두께를 select 에 대한 권장 사항을 도출할 수 있습니다. 이것이 가능하지 않은 경우 계산 시간(계산 설정 범위)을 최대로 설정해야 합니다. 10000ms. 10000ms를 초과하면 앞서 언급한 외부 열 흐름의 중첩이 예상되므로 신호 최대값이 더 높은 값(=열 확산도 감소)으로 이동하여 절반 시간이 더 길어질 것으로 예상됩니다.
접촉 저항의 영향을 고려하기 위해 2중 측정(금속판 2개가 서로 겹쳐진 상태)을 수행했습니다. 그런 다음 결정된 접촉 저항을 사용하여 열전도율을 보정했습니다(열 저항을 더함). 다음 접촉 측정은 금속 디스크의 위치를 변경(에어 갭/접촉 변경)한 상태에서 수행되었다는 점을 언급해야 합니다. 압력 샘플 홀더의 측정 불확도는 11%로 추정되었습니다.
그림 6~12는 베스펠 측정과 관련된 검출기 신호를 보여줍니다.
요약
LFA 467 HT HyperFlash 의 경우 분말 시료용 특수 시료 홀더를 사용할 수 있습니다. 이를 통해 기계적 압력 하에서 측정할 수 있으며 높은 수준의 시료 전처리가 필요합니다. 층 두께를 신중하게 선택하고 흑연 층을 적용하면 ± 5%의 측정 불확도에 도달할 수 있습니다. 시료 홀더에 기준 시료(분말 없음)를 넣고 테스트 측정한 결과 금속판과 시료 사이의 추가적인 접촉 저항이 결과를 크게 변화시킬 수 있는 것으로 나타났습니다.
샘플 홀더의 주문 번호
샘플 홀더는 다음 주문 번호로 주문할 수 있습니다:
LFA 467: 6.257.1-91.9.00*
LFA 467 HT: LFA46700B96.020-00*
*권장 사항: 측정 시간 < 10000ms.