Laser Flash Analysis maakt warmteoverdracht in anisotrope materialen meetbaar

Inleiding

Grafietfolies worden gebruikt in vele technische toepassingen waar een efficiënte warmteafvoer vereist is ondanks de dunheid van het materiaal, zoals in elektronica, energietechnologie en werktuigbouwkunde. Naast hun hoge thermische en chemische weerstand onderscheiden ze zich door hun uitgesproken anisotrope Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid.

Terwijl hun Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid loodrecht op het folievlak (through-plane) relatief laag is, vertonen ze een zeer hoge Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid in het vlak (in-plane). Deze eigenschappen zijn grotendeels productiegerelateerd, bijvoorbeeld door het walsen. De Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid in het vlak zorgt voor een snelle laterale warmteverdeling over het folieoppervlak. Dit is vooral belangrijk voor het verminderen van lokale hotspots, omdat zo gelokaliseerde warmtebronnen efficiënt kunnen worden afgevoerd. Zo werken grafietfolies als warmteverspreiders en dragen ze aanzienlijk bij tot de Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit en betrouwbaarheid van moderne technische systemen.

Door het vliegtuig vs. in het vliegtuig

Het nauwkeurig bepalen van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid door het vlak en in het vlak is van groot belang voor het ontwerpen van veel technische toepassingen. LFA (Laser Flash Analysis) kan deze taak eenvoudig en gebruiksvriendelijk uitvoeren met geschikte monsterhouders en modellen. Doorvlakmetingen worden uitgevoerd met de foliemonsterhouder, die geoptimaliseerd is voor het meten van dunne monsters (zie figuur 1, links). In-plane metingen worden echter uitgevoerd met de in-plane preparaathouder (warmtestroom naar binnen); zie figuur 1, rechts.

Doorvlakmetingen worden uitgevoerd loodrecht op het oppervlak van het proefstuk. In-plane metingen maken gebruik van ringvormige belichting van het monster, terwijl de temperatuurstijging wordt gedetecteerd in het midden van het monster. Dit maakt het meetsignaal karakteristiek voor warmtegeleiding in het vlak. Figuur 2 toont een schets die dit illustreert.

Meetomstandigheden

De meetomstandigheden staan in tabel 1.

Tabel 1: Meetomstandigheden

Orthotroop model

Om rekening te houden met de uitgesproken anisotropie van grafietfolies tijdens de evaluatie, beschrijft het orthotrope model de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie als een van richting afhankelijke grootheid met twee onafhankelijke componenten: een die loodrecht op het vlak van het proefstuk staat (α ), en een die in het vlak ligt (α||). Dit wordt direct weerspiegeld in de onderliggende vergelijking voor warmtegeleiding.

Hier duidt z de richting loodrecht op het oppervlak van het monster aan (door-vlak) en r de radiale richting in het vlak (in het vlak). In plaats van een uniforme diffusiviteit in alle richtingen aan te nemen, bevat het model onafhankelijke parameterwaarden voor α| en α, waardoor het rekening kan houden met de werkelijke warmteverspreiding in anisotrope materialen. Bij het evalueren van een meting in het vlak wordt de diffusiviteit door het vlak, α , die eerder werd bepaald in een aparte meting, opgenomen in de berekening als een bekende invoerparameter. Hierdoor kan α|| nauwkeurig worden bepaald.

Veel commerciële LFA systemen gebruiken uitsluitend eendimensionale modellen om metingen in het vlak te evalueren. Omdat deze modellen alleen de warmteverspreiding langs een enkele ruimtelijke richting beschrijven, is het onmogelijk om vanaf het begin onderscheid te maken tussen de diffusiviteit in het vlak en door het vlak. Voor materialen met uitgesproken anisotropie, zoals grafietfolies, leidt dit onvermijdelijk tot een onderschatting van de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie.

Invloed van het gekozen model op het meetresultaat

Figuur 3 toont de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie van de grafietfolie bij kamertemperatuur in de richtingen door het vlak en in het vlak. De Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie loodrecht op het oppervlak (door-vlak) is berekend met het standaardmodel, gebaseerd op Cape Lehman [1]. Dit is twee orden van grootte lager dan de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie in het vlak. Daarom wordt het orthotrope model gebruikt om de meting in het vlak te evalueren. Bij nader onderzoek is het onderscheid tussen isotroop en anisotroop gedrag bij metingen in het vlak significant.

Figuur 4 illustreert dit duidelijk. Hier is de meting op de grafietfolie geëvalueerd met zowel het isotrope als het orthotrope model. De isotrope evaluatie levert aanzienlijk lagere waarden op (ongeveer -18%) en toont ook een aanzienlijk slechtere curve fit.

Warmtegeleidbaarheid als functie van temperatuur en meetrichting

Figuur 5 toont de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van de grafietfolie in de doorgaande en de inliggende richting van kamertemperatuur tot 500°C. De Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid werd berekend met behulp van de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit van POCO grafiet [2] en de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid bij kamertemperatuur. De Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid neemt af met toenemende temperatuur in beide richtingen. De warmtegeleidingscoëfficiënt in de vlakke richting is significant hoger dan de warmtegeleidingscoëfficiënt in de doorgaande richting.

Samenvatting

In combinatie met geschikte monsterhouders maakt laser-flitsanalyse een betrouwbare bepaling mogelijk van de zeer anisotrope warmtegeleiding van grafietfolies in zowel de doorgaande als de inliggende richting. Dit onthult een Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid in het vlak die ordes van grootte hoger is, wat cruciaal is voor de efficiënte verdeling van warmte en de vermindering van hotspots. Voor een nauwkeurige evaluatie is het essentieel om een model te gebruiken dat rekening houdt met anisotropie, aangezien isotrope benaderingen de eigenschappen aanzienlijk onderschatten.