Введение
libraИз-за особой структуры порошковых материалов, например, порошков УНТ, их теплофизические свойства зависят не только от температуры, но и от давления. NETZSCH разработал специальный держатель образцов под давлением, который позволяет измерять давление до 15 МПа и проводить измерения при температуре до 300°C. Образец измеряется между двумя металлическими пластинами. Измерения оцениваются с помощью трехслойной модели, встроенной в программное обеспечение
Углеродные трубки (УНТ) обладают уникальными электронными и механическими свойствами, а также необычайно высокой теплопроводностью. Знание тепловой диффузии и теплопроводности являются важнейшими теплофизическими параметрами при использовании нанокомпозитов CNT-полимер/CNT. На рис. 1 хорошо видна зависимость плотности от теплопроводности. Для улучшения условий измерения таких материалов, а также волокон, был разработан специальный держатель образцов для лазерного флеш-анализа (LFA).
Держатель для образцов под давлением
Держатель образцов под давлением (рис. 2) был разработан для исследования образцов в виде порошка. Два алюминиевых диска и нажимной винт позволяют исследовать сжатие держателя образцов. Далее показаны различные измерения в зависимости от температуры. Будут рассмотрены максимальное время измерения и влияние держателя образца.
Общие данные:
- Объем, макс: 0.5 мл
- Диапазон крутящего момента: не менее 0,6 Нм
Подготовка держателя образцов:
- Покрытие алюминиевых дисков графитом с внешней стороны
- Вставка алюминиевого диска в держатель образца
- Заполнение образца порошком и вставка второго алюминиевого диска
- Приложение крутящего момента не менее 0,6 Нм к нажимному винту с помощью динамометра
- Определение толщины образца с помощью наружного микрометра (Внимание: графитовый слой!)
Измерения теплопроводности дали следующие результаты (рисунок 3, а также сигнал детектора на рисунке 4).
Из-за отсутствия эталонных материалов в виде порошка дополнительно исследовались твердые образцы. Vespel с низкой температуропроводностью (толщина 2,0 мм) может быть измерен при обычном времени измерения (10 полупериодов) с погрешностью ± 5% по сравнению с литературным значением (0,249 мм²/с). Влияние времени измерения на погрешность измерения показано в таблице 1.
Установка образца:
- Измерения 1-5: стандартная модель, рассматривается только образец без алюминиевых дисков для исследования влияния держателя образца. Общая толщина: 2 мм
- Измерения с 6 по 8: трехслойная система, рассматривались алюминиевые диски, включая толщину и теплофизические свойства: Общая толщина: 4 мм
Результаты измерений и их оценка
Измерения с 1 по 5 (таблица 1) показывают, что образцы с низкой температуропроводностью (Vespel) могут быть измерены при 25°C с допуском ± 5% по сравнению с литературными значениями (Vespel при 25°C: 0,249 мм²/с). Отклонения при времени измерения 5 полупериодов ниже, что, вероятно, связано с внешними тепловыми потоками через держатель образца.
Можно предположить, что можно измерять образцы порошка максимальной толщиной до 1 мм. Для более толстых образцов соотношение сигнал/шум ухудшается, и получить надежные значения измерений становится невозможным. Что касается результатов измерений графитового порошка в зависимости от температуры, то этот допуск находится в пределах ±10 % по сравнению с литературным значением.
Очень большие отклонения (измерения 7-8) обусловлены влиянием термического контактного сопротивления. По этой причине были проведены дополнительные измерения контактного сопротивления, которые были учтены при оценке.
Таблица 1: Влияние времени измерения на материал с низкой теплопроводностью
# | Измерение время | Время измерения абсолют/мс | Модель | Измеренное значение/ мм²/с | Измеренное значение/мм²/с (5 полукрат) | Отклонение/% | Отклонение/% (5 раз пополам) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 10 полураз | 23000 | Стандарт | 0.237 | 0.251 | -4.8 | 0.8 |
| 2 | 20 половин | 49000 | Стандарт | 0.235 | 0.251 | -5.6 | 0.8 |
| 3 | 30 половин | 70000 | Стандарт | 0.231 | 0.254 | -7.2 | 2.0 |
| 4 | 40 половин | 93000 | Стандарт | 0.237 | 0.243 | -4.8 | -2.4 |
| 5 | Длительный сбор данных | 83000 | Стандарт | 0.237 | 0.254 | -4.8 | 2.0 |
| 6 | 10 половин | 25000 | 3-слойный | 0.161 | >20 | ||
| 7 | 10 половин | 30000 | 3-слойный (графитовый клей) | 0.191 | -20 | ||
| 8 | 10 половин | 30000 | 3-слойный (WLP) | 0.214 | -14.1 |
Учет контактного сопротивления
Измерения № 6 - 8 в таблице 1 не учитывают контактное сопротивление. Поэтому отклонения в рассчитанных тепловых диффузиях соответственно велики. В случае № 6 были проведены дополнительные измерения контактного сопротивления. При учете контактного сопротивления отклонение уменьшается примерно до 11 % при использовании двух металлических дисков без теплопроводящей пасты, что подтверждается следующим расчетом:
Для оценки теплового потока через держатель образца были проведены измерения без образца (рис. 5). Для исключения теплового потока через стенку держателя образца ожидается сигнал детектора, расположенный как можно ближе к нулевой линии. Резкое увеличение в начале (пик), вероятно, можно объяснить теплопередачей через воздушную прослойку. Измерения в вакууме могут дать информацию об этом. Выше 10000 мс можно распознать еще один максимум. В дальнейшем, вплоть до 40000 мс, можно наблюдать небольшое снижение к линии 0. Это указывает на незначительные внешние тепловые потоки через держатель образца. Принимая во внимание измерения Vespel с большими отклонениями выше времени измерения 1000 мс, можно дать рекомендацию: select толщину слоя порошковых образцов таким образом, чтобы время измерения (10 полупериодов) не превышало значения 1000 мс. Если это невозможно, то время расчета (диапазон расчета) должно быть установлено на макс. 10000 мс. При превышении 10000 мс ожидается наложение упомянутых внешних тепловых потоков, смещение максимума сигнала и, соответственно, полувремени в сторону больших значений (= меньшая теплопроводность).
Чтобы учесть влияние контактного сопротивления, были проведены двухслойные измерения (две металлические пластины друг на друге). Определенное контактное сопротивление затем использовалось для коррекции теплопроводности (сложение термических сопротивлений). Следует отметить, что последующие контактные измерения проводились с измененным положением металлических дисков (измененный воздушный зазор/контакт). Погрешность измерений для держателя образца под давлением оценивается в 11%.
На рисунках 6-12 показаны соответствующие сигналы детектора для измерений Vespel.
Резюме
Для LFA 467 HT HyperFlash предлагается специальный держатель для порошковых образцов. Он позволяет проводить измерения под механическим давлением и требует высокой степени подготовки образца. При тщательном selectионе толщины слоя и нанесении графитового слоя погрешность измерений достигает ± 5 %. Тестовые измерения с эталонными образцами (без порошка) в держателе образцов показали, что дополнительные контактные сопротивления между металлическими пластинами и образцом могут существенно изменить результат.
Номера заказов держателей образцов
Держатели образцов можно заказать по следующим номерам заказов:
LFA 467: 6.257.1-91.9.00*
LFA 467 HT: LFA46700B96.020-00*
*Рекомендации: Время измерения < 10000 мс.