O wpływie powłoki grafitowej na materiały o wysokiej przewodności elektrycznej

Techniki analizy termicznej, takie jak Laser/Light Flash Analysis (LFA), zapewniają nieoceniony wgląd w zachowanie materiałów w zmiennych warunkach temperaturowych. Do precyzyjnego pomiaru właściwości termofizycznych, takich jak dyfuzyjność cieplna, metoda LFA okazała się szybką, wszechstronną i precyzyjną metodą bezwzględną.

W tym artykule na blogu skupimy się na znaczeniu stosowania powłoki grafitowej w pomiarach LFA, szczególnie w przypadku próbek o wysokiej przewodności, takich jak miedź lub aluminium. Zbadamy rolę grafitu w zwiększaniu dokładności pomiarów LFA i zrozumiemy, jak zoptymalizować powłokę dla różnych właściwości materiału.

Dlaczego warto stosować powłokę grafitową?

Powłoki grafitowe służą wielu celom w pomiarach LFA. Poprawiają one właściwości emisyjne i absorpcyjne powierzchni próbki, zapewniając lepszy stosunek sygnału do szumu dla detektora. Skutkuje to dokładniejszymi pomiarami. Ponadto grafit nie odbija światła. Minimalizuje to zakłócenia podczas analizy i zapewnia wiarygodne dane do dalszej analizy.

Wpływ warstwy grafitu na opór cieplny

W przypadku standardowych próbek, takich jak polimery lub ceramika, które mają niską przewodność cieplną, wpływ warstwy grafitu jest znikomy w porównaniu z wysoką rezystancją termiczną próbki. W takich przypadkach wystarczy cienka warstwa grafitu o grubości kilku mikrometrów.

Jednak w przypadku materiałów o wysokiej przewodności, takich jak miedź lub aluminium, przy krótszych czasach pomiaru poniżej około 150 milisekund, warstwa grafitu może znacząco wpływać na wyniki. Dlatego też wybór powłoki grafitowej powinien być dostosowany do konkretnych celów pomiarowych.

Powlekanie próbek o wysokiej przewodności do pomiarów dyfuzyjności cieplnej

Idealny sposób pokrycia grafitem próbki o wysokiej przewodności zależy od tego, którą właściwość materiałunależyokreślić. Podczas pomiaru dyfuzyjności cieplnej materiałów o wysokiej przewodności, takich jak miedź (Cu) lub aluminium (Al) o krótkim czasie trwania (patrz rysunek 1), odpowiednie jest nieużywanie grafitu lub użycie tylko small ilości (jak "dotyk") grafitu. Takie podejście minimalizuje wpływ warstwy grafitu na pomiar, zapewniając dokładne wyniki.

Rysunek 1: Dyfuzyjność cieplna zależy od czasu połówkowego.

Powlekanie próbek o wysokiej przewodności cieplnej na potrzeby pomiarów pojemności cieplnej właściwej

W przypadku pomiarów pojemności cieplnej właściwej celem jest porównanie maksymalnego wzrostu sygnału między próbką a odniesieniem. Aby to osiągnąć, zarówno próbka, jak i odniesienie muszą mieć takie same właściwości emisji i absorpcji. Aby to osiągnąć, niezbędna jest pełna warstwa grafitu.

Rysunek 2: Aby zmierzyć pojemność cieplną właściwą, interesujący jest maksymalny wzrost sygnału.

Badanie powłoki grafitowej na próbce miedzi

Aby zademonstrować wpływ różnych powłok grafitowych na dyfuzyjność cieplną i pojemność cieplną właściwą materiałów o wysokiej przewodności, przeanalizowano próbkę miedzi. Miedź jest powszechnie stosowanym materiałem standardowym o znanych wartościach dyfuzyjności cieplnej.

Rysunek 3: Wpływ powłoki grafitowej na dyfuzyjność cieplną

Badanie obejmowało trzy grupy typów powłok:

Pusta próbka: Bez żadnej powłoki grafitowej, sygnał pozostaje niski ze względu na minimalny pobór energii.
Dotyk grafitu: Wynik jest zgodny z wartością literaturową w zakresie ± 3%.
Pełna warstwa grafitu: Każda dodatkowa warstwa powoduje spadek dyfuzyjności cieplnej

Rysunek: Wyniki pomiaru dyfuzyjności cieplnej: Każda dodatkowa warstwa grafitu wpływa na mierzoną dyfuzyjność cieplną - zwiększanie warstw grafitu powoduje spadek dyfuzyjności cieplnej.

Wpływ na pojemność cieplną właściwą

Do określenia ciepła właściwego niezbędna jest jedna warstwa grafitu pokrywająca, aby osiągnąć rozsądne maksimum. W przypadku dodatkowych warstw maksimum pozostaje na tym samym poziomie i dlatego nie poprawi wyników.

Rysunki: Wyniki pomiaru pojemności cieplnej właściwej: Tylko jedna warstwa pokrycia jest konieczna do osiągnięcia maksymalnego T_max; więcej warstw nie wpłynie na wynik.

Inny cel, inna powłoka! Optymalizacja powłoki grafitowej

Podsumowując, pokrycie próbek o wysokiej przewodności grafitem powinno być dostosowane do konkretnych właściwości mierzonego materiału. W przypadku pomiarów dyfuzyjności cieplnej o krótkim czasie trwania wystarczy minimalna ilość grafitu. Jednak w przypadku pomiarów pojemności cieplnej właściwej, pełna warstwa grafitu jest niezbędna do zapewnienia dokładnych i spójnych wyników.

W przypadkach, gdy konieczne jest określenie zarówno dyfuzyjności cieplnej, jak i pojemności cieplnej właściwej, zaleca się podzielenie badań na dwa oddzielne pomiary. Najpierw należy zmierzyć dyfuzyjność cieplną z odrobiną grafitu, a następnie oczyścić próbkę przed nałożeniem pełnej warstwy grafitu w celu pomiaru pojemności cieplnej właściwej.

Dzięki zrozumieniu i optymalizacji powłoki grafitowej, badaczearcmogą zmaksymalizować dokładność i wiarygodność pomiarów laserowej analizy błyskowej, co ostatecznie prowadzi do lepszego wglądu w zachowanie i wydajność materiału.