Wprowadzenie
Tylko systemy błyskowe o wysokiej czułości, odpowiedniej szerokości impulsu i zaawansowanej ocenie danych mogą dokładnie mierzyć cienkie, wysoce przewodzące materiały. Największym wyzwaniem podczas pomiaru takich materiałów jest niezwykle krótki czas pomiaru. Wymaga to zarówno dużej szybkości akwizycji danych, jak i bardzo małej szerokości impulsu.
Miedź jest tego doskonałym przykładem. Miedź o grubości od 0,3 mm do kilku milimetrów jest często stosowana jako rozpraszacz ciepła, warstwa podłoża lub jako strukturalna płyta chłodząca, gdzie wymagana jest zarówno boczna dystrybucja ciepła, jak i niezawodna integracja mechaniczna. Typowe zastosowania można znaleźć w energoelektronice, technologii akumulatorów i zespołach narażonych na wysokie obciążenia termiczne, gdzie kompaktowa konstrukcja i wydajne rozpraszanie ciepła mają kluczowe znaczenie.
Metoda i warunki pomiarów
LFA 707 StratoFlash®Classic jest wyposażony w laser, który osiąga wysoką gęstość energii, co jest szczególnie potrzebne w wysokich temperaturach. Jednak podczas pomiaru cienkich materiałów, niska energia wejściowa jest niezbędna, aby zapobiec uszkodzeniom i przegrzaniu.
Dzięki regulowanej szerokości impulsu i napięciu, LFA 707 StratoFlash®Classic może dostosować energię wejściową do wymagań pomiarowych. Detektor charakteryzuje się szybkością akwizycji danych 2 MHz, zapewniając wystarczającą liczbę punktów danych nawet przy najkrótszych czasach pomiaru.
Warunki pomiaru są wyszczególnione w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Materiał | Czysta miedź |
| Grubość | 0.32 mm do 4 mm |
| Uchwyt próbki | Ø 12,7 mm |
| Temperatura | Temperatura pokojowa |
| Szerokość impulsu | 100 do 600 μs |
| Model | Model standardowy, oparty na modelu Cape Lehmann z korektą impulsów |
Wyniki pomiarów i dyskusja
Rysunek 1 przedstawia dyfuzyjność cieplną miedzi o różnych grubościach, od 0,32 mm do 4 mm. Wszystkie wyniki mieszczą się w zakresie ±2,5% w porównaniu z wartością literaturową wynoszącą około 117 mm²/s w temperaturze pokojowej [1].
Długość impulsu została dostosowana do grubości i czasu pomiaru, w zakresie od 100 μs do 600 μs. Czas połówkowy (t1/2) zmieniał się w zakresie dwóch rzędów wielkości od ok. 210 μs dla próbki o grubości 0,32 mm do 24 ms dla najgrubszej próbki o grubości 4 mm.
Rysunek 2 przedstawia sygnały dla próbek o minimalnej i maksymalnej grubości. Stosunek sygnału do szumu obu pomiarów nie jest idealny. Wynika to z niskiego poboru energii stosowanego w celu zapobiegania przegrzaniu i wykonywania pomiarów w temperaturze pokojowej. Niemniej jednak model matematyczny idealnie pasuje do danych, co ma kluczowe znaczenie dla uzyskania bardzo dokładnych wyników. W analizie błysku lasera modele matematyczne stosowane do określenia dyfuzyjności cieplnej opierają się na analitycznym rozwiązaniu równania przewodzenia ciepła, przy założeniu natychmiastowego poboru energii (impuls Diraca). W rzeczywistości jednak impuls laserowy ma zawsze skończony czas trwania. W przypadku próbek o stosunkowo długim czasie pomiaru, czas trwania impulsu jest zazwyczaj znacznie krótszy niż charakterystyczny czas pomiaru, dzięki czemu odchylenia od idealnego założenia są pomijalne (rysunek 2: miedź 4 mm).
W przypadku materiałów o wysokiej przewodności, takich jak miedź, zwłaszcza podczas pomiaru cienkich próbek, odpowiedź termiczna występuje w bardzo krótkim czasie. W takich przypadkach czas trwania impulsu jest tego samego rzędu wielkości, co charakterystyczny czas dyfuzji próbki (rysunek 2: miedź 0,32 mm). Prowadzi to do nakładania się fazy ogrzewania i odpowiedzi termicznej próbki, co może zniekształcić krzywą temperatury, a w konsekwencji obliczoną dyfuzyjność termiczną.
Korekta impulsu
Aby uwzględnić ten efekt, oprogramowanie do analizy NETZSCH LFA Proteus® automatycznie stosuje wykładniczą korektę impulsu [2]. Zamiast zakładać chwilowy pobór energii, podczas oceny uwzględniany jest rzeczywisty sygnał impulsu laserowego. Osiąga się to poprzez włączenie sygnału impulsu poprzez splot, co pozwala na uwzględnienie zależnego od czasu dopływu ciepła w obliczeniach odpowiedzi temperaturowej. W ten sposób oceniana 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 odzwierciedla rzeczywiste warunki eksperymentalne, a nie wyidealizowany impuls chwilowy.
Biorąc pod uwagę rzeczywisty kształt impulsu podczas oceny, korekta impulsu znacznie poprawia dokładność określania dyfuzyjności cieplnej dla cienkich i wysoce przewodzących próbek. Staje się to coraz ważniejsze wraz ze spadkiem grubości próbki i wzrostem dyfuzyjności cieplnej.
W przypadku bardzo krótkich czasów pomiaru, a tym samym bardzo krótkiego t1/2, solidna i precyzyjna korekcja impulsów jest najważniejszą cechą analizy. Pokazuje to rysunek 3. Podobnie jak na rysunku 1, niebieskie kropki reprezentują dyfuzyjność cieplną miedzi o różnych grubościach. W tym przypadku do oceny wykorzystano korekcję impulsową. Pomarańczowe trójkąty reprezentują te same pomiary, ale ocena została przeprowadzona bez korekcji impulsów. Zmniejszenie grubości próbki - skutkujące krótszym czasem pomiaru - prowadzi do zwiększenia błędów spowodowanych nakładaniem się impulsów.
Wnioski
Wyniki pokazują, że nawet cienkie, wysoce przewodzące próbki miedzi o wyjątkowo krótkich czasach odpowiedzi termicznej mogą być dokładnie mierzone za pomocą LFA 707 StratoFlash®Classic . Połączenie regulowanej kontroli impulsów, szybkiej akwizycji danych i zaawansowanej korekcji impulsów zapewnia wiarygodne wyniki dyfuzyjności termicznej nawet w wymagających warunkach pomiarowych. Sprawia to, że LFA 707 StratoFlash®Classic jest wydajnym rozwiązaniem do charakteryzowania materiałów o bardzo wysokiej dyfuzyjności cieplnej