Введение
Графитовые пленки используются во многих технических приложениях, где, несмотря на тонкость материала, требуется эффективный отвод тепла, например, в электронике, энергетике и машиностроении. Помимо высокой термической и химической стойкости, их отличает ярко выраженная анизотропная теплопроводность.
В то время как их теплопроводность в направлении, перпендикулярном плоскости фольги (сквозная плоскость), сравнительно низка, они демонстрируют очень высокую теплопроводность в плоскости (внутри плоскости). Эти свойства в значительной степени обусловлены производством, например, прокаткой. Теплопроводность в плоскости обеспечивает быстрое боковое распределение тепла по поверхности фольги. Это особенно важно для уменьшения локальных горячих точек, поскольку позволяет эффективно рассеивать тепло от локализованных источников. Таким образом, графитовые фольги выступают в роли теплораспределителей, внося существенный вклад в термостабильность и надежность современных технических систем.
Сквозной полет против внутриполетного
Точное определение теплопроводности в плоскости и через плоскость имеет огромное значение для проектирования многих технических приложений. LFA (Laser Flash Analysis) может легко и просто справиться с этой задачей, используя подходящие держатели и модели образцов. Измерения в сквозной плоскости выполняются с помощью держателя образцов из фольги, который оптимизирован для измерения тонких образцов (см. рис. 1, слева). Измерения в плоскости выполняются с помощью держателя образца в плоскости (тепловой поток направляется внутрь); см. рис. 1, справа.
Измерения в сквозной плоскости проводятся перпендикулярно поверхности образца. При измерениях в плоскости используется кольцеобразная подсветка образца, а повышение температуры регистрируется в центре образца. Это делает измерительный сигнал характерным для теплопроводности в плоскости. На рисунке 2 показан эскиз, иллюстрирующий это.
Условия измерения
Условия измерений подробно описаны в таблице 1.
Таблица 1: Условия измерений
| Система LFA | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Образец | Графитовая фольга |
| Толщина образца | 500 мкм |
| Плотность | ~ 1 г/см³ по данным технического паспорта |
| Удельная теплоемкость | Литературные значения из графита POCO [2] |
| Температурная программа | от 25 до 500°C |
| Атмосфера | азот |
| Направление измерения | в плоскости и в плоскости |
| Держатель образца | сквозная плоскость → держатель образца для фольги в плоскости → держатель образца в плоскости (тепловой поток внутрь) |
| Модели оценки | сквозная плоскость → стандартная модель, основанная на мысе Лемана в плоскости → ортотропная модель |
Ортотропная модель
Чтобы учесть ярко выраженную анизотропию графитовых фольг при оценке, ортотропная модель описывает теплопроводность как величину, зависящую от направления, с двумя независимыми компонентами: одной, перпендикулярной плоскости образца (α ), и одной, находящейся в плоскости (α||). Это напрямую отражается в уравнении теплопроводности.
Здесь z обозначает направление, перпендикулярное поверхности образца (сквозная плоскость), а r - радиальное направление в плоскости (внутренняя плоскость). Вместо того чтобы предполагать равномерную диффузию во всех направлениях, модель включает в себя независимые значения параметров α|| и α, что позволяет учесть фактическое распространение тепла в анизотропных материалах. При оценке измерений в плоскости диффузия в сквозной плоскости, α, которая была предварительно определена в отдельном измерении, включается в расчет в качестве известного входного параметра. Это позволяет точно определить α||.
Многие коммерческие системы LFA используют только одномерные модели для оценки измерений в плоскости. Поскольку эти модели описывают распространение тепла только вдоль одного пространственного направления, невозможно с самого начала провести различие между внутриплоскостной и межплоскостной диффузией. Для материалов с ярко выраженной анизотропией, таких как графитовые фольги, это неизбежно приводит к недооценке тепловой диффузии.
Влияние выбранной модели на результат измерения
На рисунке 3 показана тепловая диффузия графитовой фольги при комнатной температуре в сквозном и внутриплоскостном направлениях. Теплопроводность перпендикулярно поверхности (сквозная плоскость) оценивается по стандартной модели, основанной на Кейпе Лемана [1]. Это на два порядка меньше, чем тепловая диффузия в плоскости. Поэтому для оценки измерения в плоскости используется ортотропная модель. При ближайшем рассмотрении различие между изотропным и анизотропным поведением при измерениях в плоскости оказывается существенным.
Рисунок 4 наглядно иллюстрирует это. Здесь измерения на графитовой фольге оцениваются с помощью изотропной и ортотропной модели. Изотропная модель дает значительно более низкие значения (около -18 %), а также показывает значительно худшее соответствие кривой.
Теплопроводность как функция температуры и направления измерения
На рисунке 5 показана теплопроводность графитовой фольги в сквозном и внутриплоскостном направлениях от комнатной температуры до 500°C. Теплопроводность была рассчитана с использованием удельной теплоемкости графита POCO [2] и плотности при комнатной температуре. Теплопроводность уменьшается с ростом температуры в обоих направлениях. Теплопроводность в плоскости значительно выше, чем теплопроводность в сквозной плоскости.
Резюме
В сочетании с подходящими держателями образцов лазерный флеш-анализ позволяет надежно определить высокоанизотропную теплопроводность графитовых фольг как в сквозном, так и в плоскостном направлении. При этом теплопроводность в плоскости оказывается на порядки выше, что имеет решающее значение для эффективного распределения тепла и уменьшения количества горячих точек. Для точной оценки важно использовать модель, учитывающую анизотропию, поскольку изотропные подходы значительно недооценивают свойства.