Wprowadzenie
Folie grafitowe są wykorzystywane w wielu zastosowaniach technicznych, w których wymagane jest wydajne rozpraszanie ciepła pomimo cienkości materiału, np. w elektronice, technologii energetycznej i inżynierii mechanicznej. Oprócz wysokiej odporności termicznej i chemicznej, wyróżniają się one wyraźną anizotropową przewodnością cieplną.
Podczas gdy ich Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna prostopadła do płaszczyzny folii (w płaszczyźnie) jest stosunkowo niska, wykazują one bardzo wysoką przewodność cieplną w płaszczyźnie (w płaszczyźnie). Właściwości te są w dużej mierze związane z produkcją, np. z powodu walcowania. Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna w płaszczyźnie umożliwia szybki boczny Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład ciepła na powierzchni folii. Jest to szczególnie ważne dla redukcji lokalnych hotspotów, ponieważ pozwala na efektywne rozpraszanie zlokalizowanych źródeł ciepła. W ten sposób folie grafitowe działają jak rozpraszacze ciepła, znacząco przyczyniając się do stabilności termicznej i niezawodności nowoczesnych systemów technicznych.
Przez samolot vs. w samolocie
Dokładne określenie przewodności cieplnej w płaszczyźnie i w płaszczyźnie ma kluczowe znaczenie dla projektowania wielu zastosowań technicznych. LFA (Laser Flash Analysis) może łatwo i przyjaźnie dla użytkownika poradzić sobie z tym zadaniem dzięki odpowiednim uchwytom i modelom próbek. Pomiary w płaszczyźnie są wykonywane przy użyciu foliowego uchwytu próbki, który jest zoptymalizowany do pomiaru cienkich próbek (patrz rysunek 1, po lewej). Pomiary w płaszczyźnie są jednak wykonywane przy użyciu uchwytu próbki w płaszczyźnie (przepływ ciepła do wewnątrz); patrz rysunek 1, po prawej.
Pomiary w płaszczyźnie są wykonywane prostopadle do powierzchni próbki. Pomiary w płaszczyźnie wykorzystują pierścieniowe oświetlenie próbki, podczas gdy wzrost temperatury jest wykrywany w środku próbki. Dzięki temu sygnał pomiarowy jest charakterystyczny dla przewodzenia ciepła w płaszczyźnie. Rysunek 2 przedstawia szkic ilustrujący to zjawisko.
Warunki pomiaru
Warunki pomiaru są wyszczególnione w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| System LFA | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Próbka | Folia grafitowa |
| Grubość próbki | 500 μm |
| Gęstość | ~ 1 g/cm³ z arkusza danych |
| Pojemność cieplna właściwa | Wartości literaturowe z grafitu POCO [2] |
| Program temperaturowy | 25 do 500°C |
| Atmosfera | azot |
| Kierunek pomiaru | przez płaszczyznę i w płaszczyźnie |
| Uchwyt próbki | przelotowy → uchwyt próbki dla folii w płaszczyźnie → uchwyt próbki w płaszczyźnie (przepływ ciepła do wewnątrz) |
| Modele oceny | przelotowy → standardowy model oparty na Cape Lehman w płaszczyźnie → model ortotropowy |
Model ortotropowy
Aby uwzględnić wyraźną anizotropię folii grafitowych podczas oceny, model ortotropowy opisuje dyfuzyjność cieplną jako wielkość zależną od kierunku, z dwoma niezależnymi składowymi: jedną prostopadłą do płaszczyzny próbki (α ) i jedną znajdującą się w płaszczyźnie (α||). Znajduje to bezpośrednie odzwierciedlenie w równaniu przewodzenia ciepła.
Tutaj z oznacza kierunek prostopadły do powierzchni próbki (w płaszczyźnie), a r kierunek promieniowy w płaszczyźnie (w płaszczyźnie). Zamiast zakładać jednolitą dyfuzyjność we wszystkich kierunkach, model uwzględnia niezależne wartości parametrów dla α|| i α , umożliwiając uwzględnienie rzeczywistej propagacji ciepła w materiałach anizotropowych. Podczas oceny pomiaru w płaszczyźnie, dyfuzyjność w płaszczyźnie α , która została wcześniej określona w oddzielnym pomiarze, jest włączana do obliczeń jako znany parametr wejściowy. Pozwala to na precyzyjne określenie α||.
Wiele komercyjnych systemów LFA wykorzystuje wyłącznie jednowymiarowe modele do oceny pomiarów w płaszczyźnie. Ponieważ modele te opisują jedynie rozprzestrzenianie się ciepła wzdłuż jednego kierunku przestrzennego, niemożliwe jest rozróżnienie dyfuzyjności w płaszczyźnie i przez płaszczyznę od samego początku. W przypadku materiałów o wyraźnej anizotropii, takich jak folie grafitowe, nieuchronnie prowadzi to do niedoszacowania dyfuzyjności cieplnej.
Wpływ wybranego modelu na wynik pomiaru
Rysunek 3 przedstawia dyfuzyjność cieplną folii grafitowej w temperaturze pokojowej w kierunku przelotowym i w płaszczyźnie. Dyfuzyjność cieplna prostopadła do powierzchni (płaszczyzna przelotowa) jest obliczana za pomocą standardowego modelu opartego na Cape Lehman [1]. Jest ona o dwa rzędy wielkości niższa niż Dyfuzyjność termicznaDyfuzyjność cieplna (a z jednostką mm2/s) to specyficzna dla materiału właściwość charakteryzująca niestałe przewodzenie ciepła. Wartość ta opisuje, jak szybko materiał reaguje na zmianę temperatury.dyfuzyjność termiczna w płaszczyźnie. Model ortotropowy jest zatem używany do oceny pomiaru w płaszczyźnie. Po dokładniejszym zbadaniu, różnica między zachowaniem izotropowym i anizotropowym w pomiarach w płaszczyźnie jest znacząca.
Rysunek 4 wyraźnie to ilustruje. Tutaj pomiar na folii grafitowej został oceniony przy użyciu modelu izotropowego i ortotropowego. Ocena izotropowa daje znacznie niższe wartości (około -18%), a także wykazuje znacznie gorsze dopasowanie krzywej.
Przewodność cieplna jako funkcja temperatury i kierunku pomiaru
Rysunek 5 przedstawia przewodność cieplną folii grafitowej w kierunku przelotowym i w płaszczyźnie od temperatury pokojowej do 500°C. Przewodność cieplną obliczono na podstawie pojemności cieplnej właściwej grafitu POCO [2] i gęstości w temperaturze pokojowej. Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna maleje wraz ze wzrostem temperatury w obu kierunkach. Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.Przewodność cieplna w płaszczyźnie jest znacznie wyższa niż Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna w płaszczyźnie.
Podsumowanie
W połączeniu z odpowiednimi uchwytami do próbek, laserowa analiza błyskowa umożliwia wiarygodne określenie wysoce anizotropowej przewodności cieplnej folii grafitowych zarówno w kierunku przelotowym, jak i w płaszczyźnie. Ujawnia to przewodność cieplną w płaszczyźnie, która jest o rzędy wielkości wyższa, co ma kluczowe znaczenie dla efektywnego rozprowadzania ciepła i redukcji gorących punktów. Aby zapewnić dokładną ocenę, konieczne jest zastosowanie modelu uwzględniającego anizotropię, ponieważ podejścia izotropowe znacznie zaniżają właściwości.