Introducere
Numai sistemele cu bliț cu sensibilitate ridicată, o lățime de impuls adecvată și o evaluare avansată a datelor pot măsura cu precizie materiale subțiri, foarte conductoare. Cea mai mare provocare atunci când se măsoară astfel de materiale este timpul de măsurare extrem de scurt. Acest lucru necesită atât o rată mare de achiziție a datelor, cât și o lățime foarte mică a impulsului.
Cuprul este un exemplu perfect în acest sens. Cu o grosime de la 0,3 mm până la câțiva milimetri, acesta este adesea utilizat ca răspânditor de căldură, strat de substrat sau ca placă de răcire structurată, unde sunt necesare atât distribuția laterală a căldurii, cât și integrarea mecanică fiabilă. Aplicațiile tipice pot fi găsite în electronica de putere, tehnologia bateriilor și ansamblurile supuse unui StresTensiunea este definită ca un nivel al forței aplicate pe o probă cu o secțiune transversală bine definită. (Tensiune = forță/zonă). Eșantioanele cu secțiune circulară sau dreptunghiulară pot fi comprimate sau întinse. Materialele elastice, cum ar fi cauciucul, pot fi întinse până la de 5 până la 10 ori lungimea lor inițială.stres termic ridicat, unde designul compact și disiparea eficientă a căldurii sunt cruciale.
Metodă și măsurători Condiții
LFA 707 StratoFlash®Classic este echipat cu un laser care atinge o DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate energetică ridicată, ceea ce este necesar în special la temperaturi ridicate. Cu toate acestea, la măsurarea materialelor subțiri, un aport redus de energie este esențial pentru a preveni deteriorarea și supraîncălzirea.
Datorită lățimii și tensiunii pulsului sale reglabile, detectorul LFA 707 StratoFlash®Classic poate adapta aportul de energie la cerințele de măsurare. Detectorul are o rată de achiziție a datelor de 2 MHz, asigurând un număr suficient de puncte de date chiar și la cele mai scurte perioade de măsurare.
Condițiile de măsurare sunt detaliate în tabelul 1.
Tabelul 1: Condiții de măsurare
| Material | Cupru pur |
| Grosime | 0.32 mm până la 4 mm |
| Suport de probă | Ø 12,7 mm |
| Temperatură | Temperatura camerei |
| Lățimea impulsului | 100 până la 600 μs |
| Model | Model standard, bazat pe Cape Lehmann cu corecția impulsurilor |
Rezultatele măsurătorilor și discuții
Figura 1 prezintă difuzivitatea termică a cuprului de diferite grosimi, de la 0,32 mm până la 4 mm. Toate rezultatele se încadrează în ± 2,5 % față de valoarea din literatura de specialitate de aproximativ 117 mm²/s la temperatura camerei [1].
Lungimea impulsului a fost ajustată în funcție de grosime și de timpul de măsurare, variind de la 100 μs la 600 μs. Timpul de înjumătățire (t1/2) a variat pe două ordine de mărime de la aprox. 210 μs pentru proba de 0,32 mm la 24 ms pentru cea mai groasă probă cu 4 mm.
Figura 2 prezintă semnalele pentru probele de grosime minimă și maximă. Raportul semnal-zgomot al ambelor măsurători nu este ideal. Acest lucru se datorează aportului redus de energie utilizat pentru a preveni supraîncălzirea și măsurătorilor efectuate la temperatura camerei. Cu toate acestea, modelul matematic se potrivește perfect datelor, ceea ce este esențial pentru obținerea unor rezultate foarte precise. În analiza blițului laser, modelele matematice utilizate pentru a determina difuzivitatea termică se bazează pe soluția analitică a ecuației conducției termice, presupunând o intrare instantanee de energie (impuls Dirac). În realitate, însă, impulsul laser are întotdeauna o durată finită. Pentru probele cu un timp de măsurare relativ lung, durata impulsului este de obicei mult mai scurtă decât timpul de măsurare caracteristic, ceea ce face ca abaterile de la presupunerea ideală să fie neglijabile (figura 2: cupru de 4 mm).
Pentru materialele foarte conductoare, cum ar fi cuprul, în special atunci când se măsoară probe subțiri, răspunsul termic are loc într-un timp foarte scurt. În astfel de cazuri, durata impulsului este de același ordin de mărime cu timpul de difuzie caracteristic al probei (figura 2: cupru de 0,32 mm). Aceasta duce la o suprapunere între faza de încălzire și răspunsul termic al probei, care poate distorsiona curba de temperatură și, în consecință, difuzivitatea termică calculată.
Corecția pulsului
Pentru a ține cont de acest efect, software-ul de analiză NETZSCH LFA Proteus® aplică automat corecția impulsului exponențial [2]. În loc să se presupună o intrare instantanee de energie, semnalul real al pulsului laser este luat în considerare în timpul evaluării. Acest lucru se realizează prin încorporarea semnalului pulsului prin convoluție, permițând ca aportul de căldură dependent de timp să fie luat în considerare în calculul răspunsului la temperatură. În acest fel, difuzivitatea termică evaluată reflectă mai degrabă condițiile experimentale reale decât un impuls instantaneu idealizat.
Prin luarea în considerare a formei reale a impulsului în timpul evaluării, corecția impulsului îmbunătățește semnificativ precizia determinării difuzivității termice pentru probele subțiri și foarte conductive. Acest lucru devine din ce în ce mai important pe măsură ce grosimea probei scade și difuzivitatea termică crește.
Pentru timpi de măsurare extrem de scurți și, prin urmare, și pentru t1/2 extrem de scurt, o corecție robustă și precisă a impulsurilor este cea mai importantă caracteristică de analiză. Acest lucru este demonstrat în figura 3. La fel ca în figura 1, punctele albastre reprezintă difuzivitatea termică a cuprului cu diferite grosimi. În acest caz, corecția impulsurilor a fost utilizată pentru evaluare. Triunghiurile portocalii reprezintă aceleași măsurători, dar evaluarea a fost efectuată fără corecția impulsurilor. Scăderea grosimii probei - care duce la reducerea timpului de măsurare - duce la creșterea erorilor cauzate de suprapunerea impulsurilor.
Concluzie
Rezultatele demonstrează că și probele de cupru subțiri, foarte conductive, cu timpi de răspuns termic extrem de scurți, pot fi măsurate cu acuratețe cu ajutorul LFA 707 StratoFlash®Classic . Combinația dintre controlul reglabil al impulsurilor, achiziția de date de mare viteză și corecția avansată a impulsurilor asigură rezultate fiabile ale difuzivității termice chiar și în condiții de măsurare dificile. Acest lucru face din LFA 707 StratoFlash®Classic o soluție puternică pentru caracterizarea materialelor cu difuzivitate termică foarte mare