Wprowadzenie
Ze względu na specjalną strukturę materiałów proszkowych, np. proszków CNT, ich właściwości termofizyczne zależą nie tylko od temperatury, ale także od ciśnienia. NETZSCH opracował specjalny uchwyt do próbek ciśnieniowych, który umożliwia ok.librated ciśnienia do 15 MPa i pomiary do 300°C. Próbka jest mierzona pomiędzy dwiema metalowymi płytkami. Pomiar jest oceniany przy użyciu modelu 3-warstwowego, który jest zintegrowany z oprogramowaniem
Rurki węglowe (CNT) charakteryzują się unikalnymi właściwościami elektronicznymi i mechanicznymi oraz niezwykle wysoką przewodnością cieplną. Znajomość dyfuzyjności cieplnej i przewodności cieplnej są kluczowymi parametrami termofizycznymi przy stosowaniu nanokompozytów CNT i polimerów. Rysunek 1 wyraźnie pokazuje zależność gęstości od dyfuzyjności cieplnej. W celu poprawy warunków pomiarowych dla takich materiałów, ale także dla włókien, opracowano specjalny uchwyt na próbki do laserowej analizy błyskowej (LFA).
Ciśnieniowy uchwyt próbki
Ciśnieniowy uchwyt próbek (rysunek 2) został zaprojektowany tak, aby umożliwić badanie próbek w postaci proszku. Dwa aluminiowe dyski i śruba dociskowa umożliwiają badanie kompresji uchwytu próbki. Poniżej przedstawiono różne pomiary w funkcji temperatury. Omówiony zostanie maksymalny czas pomiaru i wpływ uchwytu próbki.
Dane ogólne:
- Objętość, max: 0.5 ml
- Zakres momentu obrotowego: co najmniej 0,6 Nm
Przygotowanie uchwytu próbki:
- Powlekanie dysków aluminiowych grafitem na zewnątrz
- Umieszczenie aluminiowego dysku w uchwycie próbki
- Wypełnienie próbki proszkiem i włożenie drugiego dysku aluminiowego
- Przyłożenie momentu obrotowego o wartości co najmniej 0,6 Nm do śruby dociskowej za pomocą momentu obrotowego
- Określenie grubości próbki za pomocą mikrometru zewnętrznego (Uwaga: warstwa grafitu!)
Pomiary dyfuzyjności cieplnej dają następujące wyniki (rysunek 3 oraz sygnał detektora na rysunku 4).
Ze względu na brak materiałów referencyjnych w postaci proszku, dodatkowo zbadano próbki stałe. Vespel o niskiej dyfuzyjności cieplnej (grubość 2,0 mm) może być mierzony przy zwykłym czasie pomiaru (10 pół razy) z ± 5% w porównaniu do wartości literaturowej (0,249 mm²/s). Wpływ czasu pomiaru na błąd pomiaru przedstawiono w tabeli 1.
Konfiguracja próbki:
- Pomiary od 1 do 5: model standardowy, uwzględniono tylko próbkę bez dysków aluminiowych w celu zbadania wpływu uchwytu próbki. Całkowita grubość: 2 mm
- Pomiary od 6 do 8: układ 3-warstwowy, uwzględniono dyski aluminiowe, w tym grubość i właściwości termofizyczne: Całkowita grubość: 4 mm
Wyniki pomiarów i ich ocena
Pomiary od 1 do 5 (tabela 1) pokazują, że próbki o niskiej dyfuzyjności cieplnej (Vespel) mogą być mierzone w temperaturze 25°C z tolerancją ± 5% w porównaniu do wartości literaturowych (Vespel w 25°C: 0,249 mm²/s). Odchylenia przy czasie pomiaru wynoszącym 5 pół razy są niższe, co prawdopodobnie może być związane z zewnętrznym przepływem ciepła przez uchwyt próbki.
Można założyć, że próbki proszku o maksymalnej grubości 1 mm mogą być mierzone. W przypadku grubszych próbek stosunek sygnału do szumu pogarsza się i nie jest możliwe wygenerowanie wiarygodnych wartości pomiarowych. W odniesieniu do wyników zależnych od temperatury proszku grafitowego, tolerancja ta mieści się w granicach ± 10% w porównaniu z wartością literaturową.
Bardzo duże odchylenia (pomiary 7 do 8) wynikają z wpływu rezystancji kontaktu termicznego. Z tego powodu przeprowadzono dodatkowe pomiary rezystancji styku i uwzględniono je w ocenie.
Tabela 1: Wpływ czasu pomiaru materiału o niskiej dyfuzyjności cieplnej
# | Pomiar czas | Czas pomiaru absolutny/ms | Model | Zmierzona wartość/ mm²/s | Zmierzona wartość/mm²/s (5 pół razy) | Odchylenie/% | Odchylenie/% (5 pół razy) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 10 pół razy | 23000 | Norma | 0.237 | 0.251 | -4.8 | 0.8 |
| 2 | 20 pół razy | 49000 | Standard | 0.235 | 0.251 | -5.6 | 0.8 |
| 3 | 30 pół razy | 70000 | Standard | 0.231 | 0.254 | -7.2 | 2.0 |
| 4 | 40 pół razy | 93000 | Standard | 0.237 | 0.243 | -4.8 | -2.4 |
| 5 | Długie gromadzenie danych | 83000 | Standard | 0.237 | 0.254 | -4.8 | 2.0 |
| 6 | 10 pół razy | 25000 | 3-warstwowy | 0.161 | >20 | ||
| 7 | 10 pół razy | 30000 | 3-warstwowy (klej grafitowy) | 0.191 | -20 | ||
| 8 | 10 pół razy | 30000 | 3-warstwowy (WLP) | 0.214 | -14.1 |
Uwzględnienie rezystancji styku
Pomiary #6 do #8 w tabeli 1 nie uwzględniają rezystancji styku. W związku z tym odchylenia w obliczonych dyfuzyjnościach termicznych są odpowiednio wysokie. W przypadku #6 przeprowadzono dodatkowe pomiary rezystancji styku. Uwzględniając rezystancję styku, odchylenie zmniejsza się do około 11% przy użyciu dwóch metalowych dysków bez pasty termoprzewodzącej, jak wykazano w poniższych obliczeniach:
Aby ocenić przepływ ciepła przez uchwyt próbki, przeprowadzono pomiary bez próbki (rysunek 5). Oczekuje się sygnału detektora jak najbliżej linii zerowej, aby wykluczyć przepływ ciepła przez ściankę uchwytu próbki. Gwałtowny wzrost na początku (pik) można prawdopodobnie wytłumaczyć przenikaniem ciepła przez warstwę powietrza. Pomiary w próżni mogą dostarczyć informacji na ten temat. Powyżej 10000 ms można rozpoznać kolejne maksimum. W dalszym przebiegu do 40000 ms można zaobserwować niewielki spadek do linii 0. Wskazuje to na niewielki zewnętrzny przepływ ciepła przez uchwyt próbki. Biorąc pod uwagę pomiar Vespel z większymi odchyleniami powyżej czasu pomiaru 1000 ms, można wyprowadzić zalecenie, aby select grubość warstwy próbek proszku w taki sposób, aby czas pomiaru (10 pół razy) nie przekraczał wartości 1000 ms. Jeśli nie jest to możliwe, czas obliczeń (ustawiony zakres obliczeń) musi być ustawiony na maks. 10000 ms. Powyżej 10000 ms spodziewane jest nakładanie się wspomnianego zewnętrznego przepływu ciepła, przesuwając maksimum sygnału, a tym samym czas połówkowy do wyższych wartości (= niższa dyfuzyjność cieplna).
Aby uwzględnić wpływ rezystancji styku, przeprowadzono pomiary 2-warstwowe (2 metalowe płytki na sobie). OkreślonaRezystancja stykówZgodnie z drugą zasadą termodynamiki, transfer ciepła pomiędzy dwoma systemami zawsze odbywa się w kierunku od wyższych do niższych temperatur. Ilość energii cieplnej przenoszonej przez przewodzenie ciepła, np. przez ścianę budynku, zależy od oporów cieplnych betonowej ściany i warstwy izolacyjnej. rezystancja styku została następnie wykorzystana do korekty przewodności cieplnej (dodanie rezystancji cieplnych). Należy wspomnieć, że poniższe pomiary kontaktowe zostały przeprowadzone ze zmienionym położeniem metalowych dysków (zmieniona szczelina powietrzna / kontakt). Niepewność pomiaru oszacowano na 11% dla uchwytu próbki ciśnieniowej.
Rysunki od 6 do 12 przedstawiają powiązane sygnały detektora dla pomiarów Vespel.
Podsumowanie
Dla LFA 467 HT HyperFlash dostępny jest specjalny uchwyt na próbki proszkowe. Pozwala to na pomiary pod ciśnieniem mechanicznym i wymaga wysokiego stopnia przygotowania próbki. Po starannym selectjon grubości warstwy i nałożeniu warstwy grafitu, niepewność pomiaru zostanie osiągnięta na poziomie ± 5%. Pomiary testowe z próbkami referencyjnymi (bez proszku) w uchwycie próbki wykazały, że dodatkowe rezystancje kontaktowe między metalowymi płytkami a próbką mogą znacząco zmienić wynik.
Numery zamówień posiadacza próbki
Uchwyty na próbki można zamówić pod następującymi numerami katalogowymi:
LFA 467: 6.257.1-91.9.00*
LFA 467 HT: LFA46700B96.020-00*
*Zalecenie: Czas pomiaru < 10000 ms.