Introducere
Foliile de grafit sunt utilizate în multe aplicații tehnice în care este necesară disiparea eficientă a căldurii în ciuda subțirimea materialului, cum ar fi în electronică, tehnologia energetică și ingineria mecanică. În plus față de rezistența lor termică și chimică ridicată, acestea se disting prin conductibilitatea termică anizotropică pronunțată.
În timp ce conductivitatea lor termică perpendiculară pe planul foliei (prin plan) este relativ scăzută, acestea prezintă o conductivitate termică foarte ridicată în plan (în plan). Aceste proprietăți sunt în mare parte legate de producție, de exemplu, din cauza laminării. Conductivitatea termică în plan permite distribuirea laterală rapidă a căldurii pe suprafața foliei. Acest lucru este deosebit de important pentru reducerea punctelor fierbinți locale, deoarece permite disiparea eficientă a surselor de căldură localizate. Astfel, foliile de grafit acționează ca dispersoare de căldură, contribuind semnificativ la stabilitatea termică și fiabilitatea sistemelor tehnice moderne.
Through-Plane vs. In-Plane
Determinarea precisă a conductivității termice în plan și în plan este de o importanță centrală pentru proiectarea multor aplicații tehnice. LFA (Laser Flash Analysis) poate îndeplini cu ușurință și ușurință această sarcină cu ajutorul unor suporturi de probe și modele adecvate. Măsurătorile prin plan sunt efectuate cu ajutorul suportului pentru probe cu folie, care este optimizat pentru măsurarea probelor subțiri (a se vedea figura 1, stânga). Cu toate acestea, măsurătorile în plan sunt efectuate cu ajutorul suportului de probe în plan (fluxul de căldură spre interior); a se vedea figura 1, dreapta.
Măsurătorile prin plan sunt efectuate perpendicular pe suprafața probei. Măsurătorile în plan utilizează iluminarea în formă de inel a probei, în timp ce creșterea temperaturii este detectată în centrul probei. Acest lucru face ca semnalul de măsurare să fie caracteristic conducerii căldurii în plan. Figura 2 prezintă o schiță care ilustrează acest lucru.
Condiții de măsurare
Condițiile de măsurare sunt detaliate în tabelul 1.
Tabelul 1: Condiții de măsurare
| Sistem LFA | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Eșantion | Folie de grafit |
| Grosimea probei | 500 μm |
| DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. Densitate | ~ 1 g/cm³ din fișa tehnică |
| Capacitate termică specifică | Valori bibliografice de la grafitul POCO [2] |
| Program de temperatură | 25 până la 500°C |
| Atmosferă | azot |
| Direcția de măsurare | prin plan și în plan |
| Suport de probe | prin plan → suport de probe pentru folii în plan → suport de probe în plan (fluxul de căldură spre interior) |
| Modele de evaluare | prin plan → model standard bazat pe Cape Lehman în plan → model ortotropic |
Model ortotropic
Pentru a lua în considerare anizotropia pronunțată a foliilor de grafit în timpul evaluării, modelul ortotrop descrie difuzivitatea termică ca o cantitate care depinde de direcție, cu două componente independente: una care este perpendiculară pe planul probei (α ) și una care este în plan (α||). Acest lucru este reflectat direct în ecuația de bază a conducției termice.
Aici, z denotă direcția perpendiculară pe suprafața probei (prin plan) și r direcția radială în plan (în plan). În loc să presupună o difuzivitate uniformă în toate direcțiile, modelul încorporează valori parametrice independente pentru α|| și α , ceea ce îi permite să țină seama de propagarea reală a căldurii în materialele anizotrope. La evaluarea unei măsurători în plan, difuzivitatea prin plan, α , care a fost determinată anterior într-o măsurătoare separată, este încorporată în calcul ca un parametru de intrare cunoscut. Acest lucru permite determinarea precisă a α||.
Multe sisteme LFA comerciale utilizează exclusiv modele unidimensionale pentru a evalua măsurătorile în plan. Deoarece aceste modele descriu numai propagarea căldurii de-a lungul unei singure direcții spațiale, este imposibil să se facă de la început distincția între difuzivitatea în plan și difuzivitatea prin plan. Pentru materialele cu anizotropie pronunțată, cum ar fi foliile de grafit, acest lucru duce inevitabil la subestimarea difuzivității termice.
Impactul modelului ales asupra rezultatului măsurării
Figura 3 prezintă difuzivitatea termică a foliei de grafit la temperatura camerei în direcțiile prin plan și în plan. Difuzivitatea termică perpendiculară pe suprafață (prin plan) este evaluată cu modelul standard, bazat pe Cape Lehman [1]. Aceasta este cu două ordine de mărime mai mică decât difuzivitatea termică în plan. Prin urmare, modelul ortotropic este utilizat pentru a evalua măsurarea în plan. La o examinare mai atentă, distincția dintre comportamentul izotrop și anizotrop în măsurătorile în plan este semnificativă.
Figura 4 ilustrează clar acest lucru. Aici, măsurarea pe folia de grafit evaluată folosind atât modelul izotrop, cât și cel ortotrop. Evaluarea izotropică generează valori semnificativ mai mici (aproximativ -18%) și prezintă, de asemenea, o potrivire a curbei semnificativ mai slabă.
Conductivitatea termică ca funcție de temperatură și direcția de măsurare
Figura 5 prezintă conductivitatea termică a foliei de grafit în direcția plan-plan și plan-plan de la temperatura camerei la 500°C. Conductivitatea termică a fost calculată folosind capacitatea termică specifică a grafitului POCO [2] și densitatea la temperatura camerei. Conductivitatea termică scade odată cu creșterea temperaturii în ambele direcții. Conductivitatea termică în plan este semnificativ mai mare decât conductivitatea termică prin plan.
Rezumat
Atunci când este combinată cu suporturi de probe adecvate, analiza cu bliț laser permite determinarea fiabilă a conductivității termice foarte anizotrope a foliilor de grafit atât în plan cât și în plan. Aceasta dezvăluie o conductivitate termică în plan care este cu câteva ordine de mărime mai mare, ceea ce este esențial pentru distribuirea eficientă a căldurii și reducerea punctelor fierbinți. Pentru a asigura o evaluare precisă, este esențial să se utilizeze un model care să țină seama de anizotropie, deoarece abordările izotrope subestimează semnificativ proprietățile.