Despre influența acoperirii cu grafit pentru materialele cu conductivitate ridicată

Tehnicile de analiză termică, cum ar fi analiza cu laser/lipsă de lumină (LFA), oferă informații neprețuite privind comportamentul materialelor în condiții de temperatură variabilă. Pentru măsurarea precisă a proprietăților termofizice, cum ar fi difuzivitatea termică, metoda LFA s-a dovedit a fi o metodă absolută rapidă, versatilă și precisă.

În acest articol de blog, ne vom concentra pe semnificația utilizării acoperirii cu grafit în măsurătorile LFA, în special pentru probele cu conductivitate ridicată, precum cuprul sau aluminiul. Să explorăm rolul grafitului în îmbunătățirea preciziei măsurătorilor LFA și să înțelegem cum să optimizăm acoperirea pentru diferite proprietăți ale materialului.

Grafic care prezintă traseul semnalului și ajustarea curbei pentru un aerogel în cadrul unui test de analiză cu bliț laser, relevant pentru caracterizarea materialelor.

De ce se utilizează acoperirea cu grafit?

Acoperirile de grafit servesc mai multor scopuri în măsurătorile LFA. Acestea îmbunătățesc proprietățile de emisie și absorbție ale suprafeței probei, asigurând un raport semnal-zgomot mai bun pentru detector. Acest lucru duce la măsurători mai precise. În plus, grafitul este nereflectorizant. Acest lucru minimizează interferențele în timpul analizei și oferă date fiabile pentru analize ulterioare.

Influența stratului de grafit asupra rezistenței termice

Pentru probele standard precum polimerii sau ceramica, care au o conductivitate termică scăzută, impactul stratului de grafit este neglijabil în comparație cu rezistența termică ridicată a probei. În astfel de cazuri, un strat subțire de grafit de câțiva micrometri este suficient.

Cu toate acestea, pentru materialele cu conductivitate ridicată, cum ar fi cuprul sau aluminiul, cu timpi de măsurare mai scurți, sub aproximativ 150 de milisecunde, stratul de grafit poate influența semnificativ rezultatele. Prin urmare, alegerea straturilor de grafit ar trebui să fie adaptată în funcție de obiectivele specifice de măsurare.

Acoperirea probelor cu conductivitate ridicată pentru măsurători ale difuzivității termice

Modul ideal de acoperire cu grafit a unei probe puternic conductoare depinde de proprietatea materialului care urmează să fie determinată. Atunci când se măsoară difuzivitatea termică a materialelor cu conductivitate ridicată, cum ar fi cuprul (Cu) sau aluminiul (Al), cu o durată scurtă (a se vedea figura 1), este adecvată utilizarea fără grafit sau doar a unei cantități small (ca o "atingere") de grafit. Această abordare minimizează impactul stratului de grafit asupra măsurării, asigurând rezultate precise.

Grafic care ilustrează relația dintre difuzivitatea termică și timpul de înjumătățire în măsurătorile Laser Flash Analysis. — Figura 1: Difuzivitatea termică depinde de timpul de înjumătățire.

Acoperirea probelor înalt conductoare pentru măsurarea capacității termice specifice

Pentru măsurarea capacității termice specifice, obiectivul este de a compara creșterea maximă a semnalului între eșantion și referință. Pentru a realiza acest lucru, atât eșantionul, cât și referința trebuie să aibă aceleași proprietăți de emisie și absorbție. Pentru a realiza acest lucru, este esențial un strat complet de grafit.

Grafic care prezintă relația dintre creșterea temperaturii (ΔT) și timp (t) pentru măsurarea capacității termice specifice în analiza cu laser flash. — Figura 2: Pentru a măsura capacitatea termică specifică, este interesantă creșterea maximă a semnalului.

Investigarea stratului de grafit pe proba de cupru

Pentru a demonstra influența diferitelor acoperiri de grafit asupra difuzivității termice și a capacității termice specifice a materialelor foarte conductoare, a fost analizată o probă de cupru. Cuprul este un material standard comun cu valori cunoscute ale difuzivității termice.

NETZSCH STA 509 Jupiter Select este un instrument de analiză termică de ultimă generație, care sporește eficiența energetică în caracterizarea materialelor. — Figura 3: Influența stratului de grafit asupra difuzivității termice

Ancheta a implicat trei grupuri de tipuri de acoperire:

Eșantion alb: Fără niciun strat de grafit, semnalul rămâne scăzut din cauza aportului minim de energie.
Atingere de grafit: Rezultatul corespunde valorii din literatura de specialitate cu o marjă de ± 3%.
Strat(uri) complet(e) de grafit: fiecare strat suplimentar determină o scădere a difuzivității termice

Grafic care arată impactul numărului de straturi de grafit asupra difuzivității termice, cu straturi mai multe care duc la scăderea valorilor. — Figura: Rezultate pentru măsurarea difuzivității termice: Fiecare strat suplimentar de grafit influențează difuzivitatea termică măsurată - creșterea numărului de straturi de grafit arată o scădere a difuzivității termice.

Influența asupra capacității termice specifice

Pentru determinarea căldurii specifice este necesar un strat acoperitor de grafit pentru a atinge un maxim rezonabil. Pentru straturi suplimentare, maximul rămâne la același nivel și, prin urmare, nu va îmbunătăți rezultatele.

Grafic care prezintă efectele straturilor de grafit asupra difuzivității termice în materiale cu conductivitate ridicată; un singur strat îmbunătățește semnificativ rezultatele. — Figuri: Rezultate pentru măsurarea capacității termice specifice: Este necesar doar un singur strat de acoperire pentru a obține T_max maximă; mai multe straturi nu vor afecta rezultatul.

Obiectiv diferit, acoperire diferită! Optimizarea acoperirii cu grafit

În rezumat, acoperirea cu grafit a probelor cu conductivitate ridicată trebuie ajustată în funcție de proprietatea specifică a materialului care se măsoară. Pentru măsurătorile difuzivității termice cu durată scurtă, este suficientă o cantitate minimă de grafit. Cu toate acestea, pentru măsurătorile capacității termice specifice, un strat complet de grafit este esențial pentru a asigura rezultate precise și consecvente.

În cazurile în care trebuie determinate atât difuzivitatea termică, cât și capacitatea termică specifică, se recomandă împărțirea investigațiilor în două măsurători separate. Mai întâi, măsurați difuzivitatea termică cu o atingere de grafit, apoi curățați proba înainte de a aplica un strat complet de grafit pentru a măsura capacitatea termică specifică.

Prin înțelegerea și optimizarea stratului de grafit, cercetătorii pot maximiza precizia și fiabilitatea măsurătorilor Laser Flash Analysis, conducând în cele din urmă la o mai bună înțelegere a comportamentului și performanței materialelor.