Introducere
Datorită structurii speciale a materialelor sub formă de pulbere, de exemplu, pulberile CNT, proprietățile lor termofizice depind nu numai de temperatură, ci și de presiune. NETZSCH a dezvoltat, prin urmare, un suport special pentru probe de presiune care permite presiuni calibrate de până la 15 MPa și măsurători la 300°C. Eșantionul este măsurat între două plăci metalice. Măsurarea este evaluată utilizând modelul cu 3 straturi care este integrat în software
Tuburile de carbon (CNT) prezintă proprietăți electronice și mecanice unice, împreună cu o conductivitate termică neobișnuit de mare. Cunoașterea difuzivității termice și a conductivității termice sunt parametri termofizici esențiali atunci când se utilizează nanocompozite polimer/CNT din CNT. Figura 1 arată clar dependența densității de difuzivitatea termică. Pentru îmbunătățirea condițiilor de măsurare pentru astfel de materiale, dar și pentru fibre, a fost dezvoltat un suport de probe special pentru analizele cu laser flash (LFA).
Suport pentru probe de presiune
Suportul de probe sub presiune (figura 2) a fost conceput pentru a putea investiga probe sub formă de pulbere. Două discuri de aluminiu și un șurub de presiune permit investigarea compresiei suportului de probe. În cele ce urmează, sunt prezentate diferite măsurători în funcție de temperatură. Vor fi discutate timpul maxim de măsurare și influența suportului de probe.
Date generale:
- Volum, maxim: 0.5 ml
- Domeniu de torsiune: cel puțin 0,6 Nm
Pregătirea suportului pentru probe:
- Acoperirea discurilor de aluminiu cu grafit pe exterior
- Introducerea unui disc de aluminiu în suportul de probe
- Umplerea eșantionului cu pulbere și introducerea unui al doilea disc de aluminiu
- Aplicarea unui cuplu de cel puțin 0,6 Nm pe șurubul de presiune prin intermediul unui cuplu
- Determinarea grosimii probei cu ajutorul unui micrometru exterior (atenție: strat de grafit!)
Măsurătorile difuzivității termice dau următoarele rezultate (figura 3, precum și semnalul detectorului din figura 4).
Din cauza lipsei materialelor de referință sub formă de pulbere, au fost studiate suplimentar probe solide. Vespelul cu difuzivitate termică scăzută (2,0 mm grosime) poate fi măsurat la timpul de măsurare obișnuit (10 jumătăți de timp) cu ± 5% în comparație cu valoarea din literatură (0,249 mm²/s). Influența timpului de măsurare asupra erorii de măsurare este prezentată în tabelul 1.
Configurația eșantionului:
- Măsurătorile de la 1 la 5: model standard, luând în considerare doar eșantionul fără discuri de aluminiu pentru investigarea influenței suportului de eșantion. Grosimea totală: 2 mm
- Măsurătorile de la 6 la 8: sistem cu 3 straturi, au fost luate în considerare discurile de aluminiu, inclusiv grosimea și proprietățile termofizice: Grosimea totală: 4 mm
Rezultatele măsurătorilor și evaluarea acestora
Măsurătorile de la 1 la 5 (tabelul 1) arată că probele cu difuzivitate termică scăzută (Vespel) pot fi măsurate la 25°C cu o toleranță de ± 5% față de valorile din literatură (Vespel la 25°C: 0,249 mm²/s). Abaterile la un timp de măsurare de 5 jumătăți de timp sunt mai mici, ceea ce poate fi probabil legat de fluxurile de căldură externe prin suportul de probă.
Se poate presupune că pot fi măsurate probe de pulbere cu o grosime maximă de 1 mm. Pentru probe mai groase, raportul semnal-zgomot se înrăutățește și nu este posibil să se genereze valori de măsurare fiabile. În ceea ce privește rezultatele în funcție de temperatură ale pulberii de grafit, această toleranță este de ± 10% în comparație cu valoarea din literatura de specialitate.
Abaterile foarte mari (măsurătorile 7-8) se datorează influenței rezistenței termice de contact. Din acest motiv, au fost efectuate măsurători suplimentare ale rezistenței de contact și au fost luate în considerare pentru evaluare.
Tabelul 1: Influența timpului de măsurare a unui material cu difuzivitate termică scăzută
# | Timp de măsurare timp | Timp de măsurare absolut/ms | Model | Valoare măsurată/ mm²/s | Valoare măsurată/mm²/s (de 5 ori jumătate) | Deviație/% | Deviație/% (5 jumătăți de ori) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 10 jumătăți de ori | 23000 | Standard | 0.237 | 0.251 | -4.8 | 0.8 |
| 2 | 20 jumătăți de ori | 49000 | Standard | 0.235 | 0.251 | -5.6 | 0.8 |
| 3 | 30 jumătăți de ori | 70000 | Standard | 0.231 | 0.254 | -7.2 | 2.0 |
| 4 | 40 de jumătăți de ori | 93000 | Standard | 0.237 | 0.243 | -4.8 | -2.4 |
| 5 | Achiziție lungă de date | 83000 | Standard | 0.237 | 0.254 | -4.8 | 2.0 |
| 6 | 10 jumătăți de ori | 25000 | 3 straturi | 0.161 | >20 | ||
| 7 | 10 de jumătate de ori | 30000 | 3 straturi (clei de grafit) | 0.191 | -20 | ||
| 8 | 10 jumătăți de ori | 30000 | 3 straturi (WLP) | 0.214 | -14.1 |
Luarea în considerare a rezistenței de contact
Măsurătorile #6 și #8 din tabelul 1 nu iau în considerare rezistențele de contact. Astfel, abaterile de la difuzivitățile termice calculate sunt în consecință mari. În cazul nr. 6, au fost efectuate măsurători suplimentare ale rezistenței de contact. Luând în considerare rezistența de contact, abaterea este redusă la aproximativ 11% prin utilizarea a două discuri metalice fără pastă de conductivitate termică, după cum demonstrează următorul calcul:
Pentru a evalua fluxul de căldură prin suportul de probe, au fost efectuate măsurători fără probă (figura 5). Un semnal al detectorului cât mai aproape posibil de linia zero este așteptat pentru a exclude fluxurile de căldură prin peretele suportului de probă. Creșterea bruscă de la început (vârf) poate fi probabil explicată prin transferul de căldură prin stratul de aer. Măsurătorile sub vid ar putea furniza informații în acest sens. Peste 10000 ms, poate fi recunoscut un alt maxim. În continuare, până la 40000 ms, poate fi observată o ușoară scădere până la linia 0. Aceasta indică ușoare fluxuri externe de căldură prin suportul de probă. Luând în considerare măsurarea Vespel cu abateri mai mari peste un timp de măsurare de 1000 ms, se poate deriva recomandarea de a select grosimea stratului de probe de pulbere astfel încât timpul de măsurare (10 jumătăți de ori) să nu depășească o valoare de 1000 ms. În cazul în care acest lucru nu este posibil, timpul de calcul (set range for calculation) trebuie să fie setat la max. 10000 ms. Peste 10000 ms, este de așteptat o suprapunere a fluxului termic extern menționat, deplasarea maximului semnalului și, prin urmare, a timpului de jumătate la valori mai mari (= difuzivitate termică mai scăzută), este de așteptat.
Pentru a lua în considerare influența rezistenței de contact, au fost efectuate măsurători pe 2 straturi (2 plăci metalice una peste cealaltă). Rezistența de contact determinată a fost apoi utilizată pentru corectarea conductivității termice (adăugarea rezistențelor termice). Trebuie menționat faptul că următoarele măsurători de contact au fost efectuate cu o poziție schimbată a discurilor metalice (spațiu de aer/contact schimbat). O incertitudine de măsurare de 11% a fost estimată pentru suportul de probe de presiune.
Figurile 6-12 prezintă semnalele detectorului asociat pentru măsurătorile Vespel.
Rezumat
Pentru aparatul LFA 467 HT HyperFlash, este disponibil un suport special pentru probe de pulbere. Acesta permite măsurători sub presiune mecanică și necesită un grad ridicat de pregătire a probei. La o selecție atentă a grosimii stratului și a aplicării stratului de grafit, se vor atinge incertitudini de măsurare de ± 5%. Măsurătorile de testare cu probe de referință (fără pulbere) în suportul de probe au arătat că rezistențele de contact suplimentare între plăcile metalice și probă pot modifica semnificativ rezultatul.
Numerele de ordine ale deținătorului eșantionului
Suporturile de probe pot fi comandate cu următoarele numere de comandă:
LFA 467: 6.257.1-91.9.00*
LFA 467 HT: LFA46700B96.020-00*
*Recomandare: Timp de măsurare < 10000 ms.