| Published: 

Когда и как необходимо покрывать образцы при проведении измерений LFA

Введение

Метод лазерного анализа (LFA) позволяет быстро и легко измерить теплопроводность различных материалов - от металлов до полимеров и керамики. На основе тепловой диффузии и удельной теплоемкости можно рассчитать теплопроводность материала. При измерении методом LFA передняя поверхность образца нагревается лампой-вспышкой или лазерным импульсом, а повышение температуры на задней поверхности регистрируется с помощью инфракрасного детектора.

Чтобы получить хороший сигнал детектора, образец должен соответствовать некоторым важным критериям:

  • Образец не должен быть полупрозрачным в видимом и ближнем ИК-диапазоне волн.
  • Образец не должен отражать свет
  • Образец должен обладать хорошей способностью к эмиссии и поглощению.

Не все материалы автоматически удовлетворяют этим критериям. Многие полимеры и стекла прозрачны в видимом и ближнем ИК-диапазоне волн. Металлы, с другой стороны, обладают высокой отражающей способностью. Кроме того, большинство материалов обладают низкой способностью к эмиссии/поглощению, что снижает соотношение сигнал/шум. В таких случаях для получения хороших сигналов образцы покрывают графитом или напыляют золотом. В этом приложении описывается, как наносится покрытие на различные образцы и как покрытие может повлиять на результат измерения.

Когда требуется покрытие?

Как правило, все образцы должны быть покрыты. Покрытие улучшает эмиссионные/абсорбционные свойства образца, оптимизируя соотношение сигнал/шум. На рис. 1 показан сигнал образца с покрытием и без него. Соотношение сигнал/шум и разрешение кривой значительно хуже для образца без покрытия.

Сравнение интенсивности сигнала с течением времени для образцов без покрытия (a) и с покрытием (b) в аналитических испытаниях.
1) Сигналы для образца без покрытия (a) и образца с покрытием (b); по сравнению с образцом без покрытия интенсивность сигнала от образца с покрытием увеличена

Лишь некоторые образцы, которые не отражают и непрозрачны (например, углеродсодержащие образцы), не нуждаются в покрытии. На рис. 2 показаны сигналы образца графитсодержащего полимера с графитовым покрытием и без него. Поскольку этот образец не является полупрозрачным и не отражает, оба сигнала практически идентичны, и для измерения теплопроводности покрытие не обязательно.

Покрытие абсолютно необходимо, если удельная теплоемкость образца будет измеряться относительно эталона с помощью LFA. Образец и эталон должны обладать одинаковой способностью к испусканию/поглощению. Этого можно достичь с помощью графитового слоя.

Графики, сравнивающие сигналы от графитсодержащих образцов с покрытием (a) и без покрытия (b) с течением времени.
2) Сигналы от графитосодержащих образцов с покрытием (a) и без покрытия (b); a) a = 0,635 мм²/с, b) a = 0,632 мм²/с

Какое покрытие и когда наносить?

Графит является стандартным покрытием. Он наносится в виде графитового спрея и высыхает на образце, образуя графитовый слой.

Для очень тонких прозрачных образцов, например, полиэтиленовых пленок, слой графита может быть слишком толстым по сравнению с образцом, чтобы не пропускать свет. В этом случае лучше напылить на образец слой золота, чтобы сделать его непрозрачным. Затем на образец с золотым покрытием следует нанести графитовую пыль, чтобы увеличить его излучательную/поглощательную способность.

В случаях, когда углерод может вступить в реакцию с образцом, особенно при высоких температурах (например, для сталей), может потребоваться другое покрытие. Часто достаточно просто придать поверхности шероховатость, например, с помощью пескоструйной обработки или абразивной бумаги.

Какой толщины покрытие должно быть нанесено?

Для большинства образцов достаточно ровного слоя графита толщиной около 5 мкм, который тщательно покрывает поверхность и не влияет на результат измерения. На рисунке 3 показан металлический образец до и после покрытия графитом.

При напылении золота на очень тонкие образцы необходимо нанести только тонкий слой золота толщиной в нм. Цель состоит в том, чтобы исключить любое пропускание света через образец. Достаточность золотого покрытия для блокирования светопропускания можно проверить с помощью сильного источника света. Процесс напыления необходимо повторять до тех пор, пока свет не перестанет проходить через образец. Затем на образец с золотым покрытием следует нанести графитовую пыль (не покрытие) так, чтобы слой золота был все еще хорошо виден. Пример представлен на рисунке 4.

Сравнение образцов до и после: блестящая металлическая поверхность без покрытия (слева) и матовая черная поверхность с графитовым покрытием (справа).
3) Изображения образца до и после нанесения графитового покрытия a) Без покрытия b) С графитовым покрытием
Сравнение тонких образцов: слева - без покрытия (черный), справа - с покрытием из золота и графита (золотое покрытие).
4) Покрытие тонкого образца золотом и графитом a) Тонкий образец без покрытия b) Образец, покрытый тонким слоем золота и "пылью" графита

Как покрытие влияет на результат измерения?

Правильно нанесенное покрытие не влияет на результат измерения. Однако есть несколько исключений, когда покрытие следует наносить с особой тщательностью, чтобы избежать негативного влияния на результаты измерений. Для высокопроводящих материалов, таких как медь или алюминий, слишком толстый слой графита может сдвинуть тепловую диффузию образцов в сторону меньших значений, поскольку графит является более плохим проводником. Пример этого показан на рисунке 5.

График теплопроводности 2-миллиметрового медного образца с различной толщиной графита; включает точки данных при различных температурах.
5) Теплопроводность медного образца толщиной 2 мм с графитовым покрытием разной толщины

В данном примере покрытие медного образца слоем графита нормальной толщины (около 5 мкм) привело к снижению теплопроводности меди на 4 % по сравнению с номинальным значением 117 м²/с. При нанесении графитовой "пыли" только на small (рис. 6) было получено правильное значение теплопроводности (красный символ на графике).

Высокопроводящие покрытия образцов: a) металлическая поверхность без покрытия; b) темная поверхность с минимальным содержанием графита.
6) Покрытие для очень высокопроводящих образцов a) Без покрытия b) Очень мало графита

Также можно нанести слишком мало графита. Это может произойти, например, с некоторыми полимерами. Как показано в начале измерения на рисунке 7a), если графитовое покрытие слишком тонкое, излучение от лампы-вспышки может проникнуть в детектор. В этом случае рекомендуется нанести покрытие достаточной толщины, чтобы предотвратить проникновение света, как показано на рисунке 7b).

Графики измерений LFA полимерных образцов, показывающие различия в пиках облучения, обусловленные качеством покрытия.
7) Измерение LFA на образце полмиера с а) недостаточным графитовым покрытием и б) достаточным графитовым покрытием

Заключение

Как правило, перед измерением LFA все образцы должны быть в той или иной степени покрыты. В зависимости от типа и толщины тестируемого материала в качестве покрытия могут выступать, например, золото и/или графит. Чаще всего достаточно простого графитового слоя. Толщина графитового слоя, который следует использовать, зависит от толщины и проводимости образца, а также от того, используется ли золотое покрытие.

AI Overview
An error occurred. Please try again.