Introdução
As folhas de grafite são usadas em muitas aplicações técnicas em que é necessária uma dissipação de calor eficiente, apesar da espessura fina do material, como em eletrônica, tecnologia de energia e engenharia mecânica. Além de sua alta resistência térmica e química, elas se distinguem por sua Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica anisotrópica acentuada.
Embora sua Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica perpendicular ao plano da folha (através do plano) seja comparativamente baixa, eles apresentam uma Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica muito alta no plano (no plano). Essas propriedades são, em grande parte, relacionadas à produção, por exemplo, devido à laminação. A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica no plano permite a rápida distribuição lateral de calor pela superfície da folha. Isso é particularmente importante para reduzir os pontos quentes locais, pois permite que as fontes de calor localizadas sejam dissipadas com eficiência. Assim, as folhas de grafite atuam como espalhadores de calor, contribuindo significativamente para a Estabilidade térmicaUm material é termicamente estável se ele não se decompõe sob a influência da temperatura. Uma maneira de determinar a estabilidade térmica de uma substância é usar um TGA (analisador termogravimétrico). estabilidade térmica e a confiabilidade dos sistemas técnicos modernos.
Através do plano vs. no plano
A determinação precisa da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica através do plano e no plano é de importância central para o projeto de muitas aplicações técnicas. O LFA (Laser Flash Analysis) pode lidar com essa tarefa de forma fácil e amigável com modelos e suportes de amostras adequados. As medições através do plano são realizadas usando o suporte de amostra de folha, que é otimizado para medir amostras finas (veja a figura 1, à esquerda). As medições no plano, entretanto, são realizadas usando o porta-amostras no plano (fluxo de calor para dentro); veja a figura 1, à direita.
As medições através do plano são realizadas perpendicularmente à superfície da amostra. As medições no plano usam iluminação em forma de anel da amostra, enquanto o aumento da temperatura é detectado no centro da amostra. Isso torna o sinal de medição característico da condução de calor no plano. A Figura 2 mostra um esboço que ilustra isso.
Condições de medição
As condições de medição estão detalhadas na tabela 1.
Tabela 1: Condições de medição
| Sistema LFA | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Amostra | Folha de grafite |
| Espessura da amostra | 500 μm |
| DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. Densidade | ~ 1 g/cm³ da folha de dados |
| Capacidade de calor específico | Valores da literatura de grafite POCO [2] |
| Programa de temperatura | 25 a 500°C |
| Atmosfera | nitrogênio |
| Direção da medição | através do plano e no plano |
| Suporte de amostras | através do plano → suporte de amostra para folhas no plano → suporte de amostra no plano (fluxo de calor para dentro) |
| Modelos de avaliação | através do plano → modelo padrão baseado em Cape Lehman no plano → modelo ortotrópico |
Modelo ortotrópico
Para levar em conta a anisotropia acentuada das folhas de grafite durante a avaliação, o modelo ortotrópico descreve a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica como uma quantidade que depende da direção, com dois componentes independentes: um que é perpendicular ao plano da amostra (α) e um que está no plano (α||). Isso se reflete diretamente na equação de condução de calor subjacente.
Aqui, z denota a direção perpendicular à superfície da amostra (através do plano) e r a direção radial no plano (no plano). Em vez de pressupor uma difusividade uniforme em todas as direções, o modelo incorpora valores de parâmetros independentes para α|| e α, o que permite levar em conta a propagação real do calor em materiais anisotrópicos. Ao avaliar uma medição no plano, a difusividade através do plano, α , que foi determinada anteriormente em uma medição separada, é incorporada ao cálculo como um parâmetro de entrada conhecido. Isso permite que α|| seja determinado com precisão.
Muitos sistemas LFA comerciais usam exclusivamente modelos unidimensionais para avaliar medições no plano. Como esses modelos descrevem apenas a propagação de calor ao longo de uma única direção espacial, é impossível distinguir entre a difusividade no plano e a difusividade através do plano desde o início. Para materiais com anisotropia acentuada, como folhas de grafite, isso inevitavelmente leva à subestimação da Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica.
Impacto do modelo escolhido no resultado da medição
A Figura 3 mostra a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica da folha de grafite à temperatura ambiente nas direções através do plano e no plano. A Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica perpendicular à superfície (através do plano) é avaliada com o modelo padrão, baseado em Cape Lehman [1]. Isso é duas ordens de magnitude menor do que a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica no plano. O modelo ortotrópico é, portanto, usado para avaliar a medição no plano. Após um exame mais detalhado, a distinção entre o comportamento isotrópico e anisotrópico nas medições no plano é significativa.
A Figura 4 ilustra isso claramente. Aqui, a medição na folha de grafite foi avaliada usando o modelo isotrópico e ortotrópico. A avaliação isotrópica produz valores significativamente menores (aprox. -18%) e também mostra um ajuste de curva significativamente pior.
Condutividade térmica como uma função da temperatura e da direção de medição
A Figura 5 mostra a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica da folha de grafite na direção através do plano e no plano, desde a temperatura ambiente até 500°C. A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica foi calculada usando a capacidade de calor específica do grafite POCO [2] e a DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade à temperatura ambiente. A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica diminui com o aumento da temperatura em ambas as direções. A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica no plano é significativamente maior do que a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica através do plano.
Resumo
Quando combinada com suportes de amostra adequados, a análise de flash a laser permite a determinação confiável da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica altamente anisotrópica das folhas de grafite, tanto na direção através do plano quanto no plano. Isso revela uma Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica no plano que é ordens de magnitude maior, o que é crucial para a distribuição eficiente de calor e a redução de pontos quentes. Para garantir uma avaliação precisa, é essencial usar um modelo que leve em conta a anisotropia, pois as abordagens isotrópicas subestimam significativamente as propriedades.