О влиянии графитового покрытия на высокопроводящие материалы

Такие методы термического анализа, как лазерный/световой анализ (LFA), позволяют получить бесценные сведения о поведении материалов в различных температурных условиях. Для точного измерения теплофизических свойств, таких как теплопроводность, метод LFA зарекомендовал себя как быстрый, универсальный и точный абсолютный метод.

В этой статье мы расскажем о важности использования графитового покрытия при измерениях методом LFA, особенно для высокопроводящих образцов, таких как медь или алюминий. Давайте изучим роль графита в повышении точности измерений LFA и поймем, как оптимизировать покрытие для различных свойств материала.

Зачем использовать графитовое покрытие?

Графитовые покрытия служат нескольким целям в LFA-измерениях. Они улучшают эмиссионные и абсорбционные свойства поверхности образца, обеспечивая лучшее соотношение сигнал/шум для детектора. Это приводит к более точным измерениям. Кроме того, графит не отражает. Это минимизирует помехи во время анализа и обеспечивает надежные данные для дальнейшего анализа.

Влияние графитового слоя на термическое сопротивление

Для стандартных образцов, таких как полимеры или керамика, которые обладают низкой теплопроводностью, влияние графитового слоя незначительно по сравнению с высоким термическим сопротивлением образца. В таких случаях достаточно тонкого графитового слоя в несколько микрометров.

Однако для высокопроводящих материалов, таких как медь или алюминий, при более коротком времени измерения - менее 150 миллисекунд - графитовый слой может существенно повлиять на результаты. Таким образом, выбор графитового покрытия должен основываться на конкретных целях измерения.

Покрытие высокопроводящих образцов для измерения тепловой диффузии

Идеальный способ покрытия высокопроводящего образца графитом зависит от того, какое свойство материала необходимо определить. При кратковременных измерениях теплопроводности высокопроводящих материалов, таких как медь (Cu) или алюминий (Al) (см. рис. 1), можно обойтись без графита или использовать лишь small количество графита (как "штрих"). Такой подход минимизирует влияние графитового слоя на измерения, обеспечивая точность результатов.

Рисунок 1: Тепловая диффузия зависит от времени полураспада.

Покрытие высокопроводящих образцов для измерения удельной теплоемкости

При измерении удельной теплоемкости цель состоит в том, чтобы сравнить максимальный рост сигнала между образцом и эталоном. Для этого образец и эталон должны обладать одинаковыми свойствами излучения и поглощения. Для этого необходим полный графитовый слой.

Рисунок 2: Для измерения удельной теплоемкости интерес представляет максимальный рост сигнала.

Исследование графитового покрытия на медном образце

Чтобы продемонстрировать влияние различных графитовых покрытий на тепловую диффузию и удельную теплоемкость высокопроводящих материалов, был проведен анализ медного образца. Медь - обычный стандартный материал с известными значениями теплопроводности.

Рисунок 3: Влияние графитового покрытия на тепловую диффузию

В исследовании участвовали три группы типов покрытий:

Пустой образец: Без графитового покрытия сигнал остается низким из-за минимального потребления энергии.
Графитовое покрытие: Результат соответствует литературному значению в пределах ± 3 %.
Полный графитовый слой (слои): каждый дополнительный слой приводит к снижению тепловой диффузии

Рисунок: Результаты измерения тепловой диффузии: Каждый дополнительный слой графита влияет на измеряемую тепловую диффузию - увеличение количества слоев графита приводит к уменьшению тепловой диффузии.

Влияние на удельную теплоемкость

Для определения удельной теплоемкости необходим один покрывающий графитовый слой, чтобы достичь разумного максимума. Для дополнительных слоев максимум остается на том же уровне и, следовательно, не улучшает результаты.

Рисунки: Результаты измерения удельной теплоемкости: Для достижения максимальной T_max необходим только один слой покрытия; большее количество слоев не влияет на результат.

Другая цель, другое покрытие! Оптимизация графитового покрытия

Таким образом, покрытие высокопроводящих образцов графитом следует регулировать в зависимости от конкретного измеряемого свойства материала. Для измерений теплопроводности с короткой продолжительностью достаточно минимального количества графита. Однако для измерений удельной теплоемкости полный слой графита необходим для обеспечения точных и стабильных результатов.

В случаях, когда необходимо определить и тепловую диффузию, и удельную теплоемкость, рекомендуется разделить исследования на два отдельных измерения. Сначала измерьте тепловую диффузию с помощью прикосновения графита, затем очистите образец перед нанесением полного слоя графита для измерения удельной теплоемкости.

arcПонимание и оптимизация графитового покрытия позволяют максимально повысить точность и надежность измерений методом лазерного анализа вспышек, что в конечном итоге позволяет лучше понять поведение и характеристики материала.