Inledning
Grafitfolier används i många tekniska applikationer där effektiv värmeavledning krävs trots materialets tunnhet, t.ex. inom elektronik, energiteknik och maskinteknik. Förutom sin höga termiska och kemiska beständighet utmärker de sig genom sin utpräglade anisotropiska Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga.
Medan värmeledningsförmågan vinkelrätt mot folieplanet (through-plane) är jämförelsevis låg, uppvisar de mycket hög Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga i planet (in-plane). Dessa egenskaper är till stor del produktionsrelaterade, t.ex. på grund av valsning. Värmekonduktiviteten i planet möjliggör snabb lateral värmefördelning över foliens yta. Detta är särskilt viktigt för att minska lokala hotspots, eftersom det gör att lokaliserade värmekällor kan avledas effektivt. Grafitfolier fungerar således som värmespridare och bidrar väsentligt till den termiska stabiliteten och tillförlitligheten hos moderna tekniska system.
Genomgående plan kontra i plan
Noggrann bestämning av värmeledningsförmågan genom planet och i planet är av central betydelse för utformningen av många tekniska tillämpningar. LFA (Laser Flash Analysis) kan enkelt och användarvänligt hantera denna uppgift med lämpliga provhållare och modeller. Mätningar genom planet utförs med hjälp av folieprovhållaren, som är optimerad för mätning av tunna prover (se figur 1, vänster). Mätningar i planet utförs däremot med hjälp av provhållaren i planet (värmeflöde inåt); se figur 1, höger.
Mätningar genom planet utförs vinkelrätt mot provytan. Vid mätningar i planet används ringformad belysning av provet, medan temperaturökningen detekteras i provets mitt. Detta gör att mätsignalen blir karakteristisk för värmeledningen i planet. Figur 2 visar en skiss som illustrerar detta.
Mätförhållanden
Mätförhållandena beskrivs närmare i tabell 1.
Tabell 1: Mätförhållanden
| LFA-system | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Provbit | Grapite-folie |
| Provets tjocklek | 500 μm |
| Densitet | ~ 1 g/cm³ från datablad |
| Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.Specifik värmekapacitet | Litteraturvärden från POCO-grafit [2] |
| Temperaturprogram | 25 till 500°C |
| Atmosfär | kväve |
| Mätriktning | genom-plan och i-plan |
| Provhållare | genom planet → provhållare för folier i planet → provhållare i planet (värmeflöde inåt) |
| Utvärderingsmodeller | genom planet → standardmodell baserad på Cape Lehman i planet → ortotropisk modell |
Ortotropisk modell
För att ta hänsyn till den uttalade anisotropin hos grafitfolier under utvärderingen beskriver den ortotropa modellen den termiska diffusiviteten som en storhet som beror på riktning, med två oberoende komponenter: en som är vinkelrät mot provplanet (α ) och en som är i planet (α||). Detta återspeglas direkt i den underliggande värmeledningsekvationen.
Här betecknar z riktningen vinkelrätt mot provytan (genom planet) och r den radiella riktningen i planet (i planet). I stället för att anta enhetlig diffusivitet i alla riktningar innehåller modellen oberoende parametervärden för α|| och α , vilket gör att den kan ta hänsyn till den faktiska värmeutbredningen i anisotropa material. Vid utvärdering av en mätning i planet införlivas diffusiviteten genom planet, α , som tidigare bestämdes i en separat mätning, i beräkningen som en känd inmatningsparameter. Detta gör att α|| kan bestämmas exakt.
Många kommersiella LFA-system använder uteslutande endimensionella modeller för att utvärdera mätningar i planet. Eftersom dessa modeller endast beskriver värmeutbredningen längs en enda rumslig riktning är det omöjligt att redan från början skilja mellan diffusiviteten i planet och diffusiviteten genom planet. För material med uttalad anisotropi, t.ex. grafitfolier, leder detta oundvikligen till en underskattning av den termiska diffusiviteten.
Den valda modellens inverkan på mätresultatet
Figur 3 visar grafitfoliens värmediffusivitet vid rumstemperatur i riktningarna genom planet och i planet. Den termiska diffusiviteten vinkelrätt mot ytan (genomgående plan) utvärderas med standardmodellen, baserad på Cape Lehman [1]. Denna är två storleksordningar lägre än den termiska diffusiviteten i planet. Den ortotropiska modellen används därför för att utvärdera mätningen i planet. Vid närmare granskning är skillnaden mellan isotropiskt och anisotropiskt beteende vid mätningar i plan betydande.
Figur 4 illustrerar detta tydligt. Här utvärderas mätningen på grafitfolien med hjälp av både den isotropa och den ortotropa modellen. Den isotropiska utvärderingen ger betydligt lägre värden (ca -18%) och visar också en betydligt sämre kurvanpassning.
Värmekonduktivitet som en funktion av temperatur och mätriktning
Figur 5 visar grafitfoliens Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga i genom- och i planriktningen från rumstemperatur till 500°C. Värmekonduktiviteten beräknades med hjälp av den specifika värmekapaciteten för POCO-grafit [2] och densiteten vid rumstemperatur. Värmekonduktiviteten minskar med ökande temperatur i båda riktningarna. Värmeledningsförmågan i planet är betydligt högre än värmeledningsförmågan genom planet.
Sammanfattning
I kombination med lämpliga provhållare möjliggör laser flash-analys en tillförlitlig bestämning av den mycket anisotropiska värmeledningsförmågan hos grafitfolier i både genom- och i plan-riktningen. Detta avslöjar en Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga i planet som är storleksordningar högre, vilket är avgörande för en effektiv distribution av värme och minskning av hotspots. För att säkerställa en korrekt utvärdering är det viktigt att använda en modell som tar hänsyn till anisotropi, eftersom isotropiska metoder underskattar egenskaperna avsevärt.