Giriş
Grafit folyolar, malzemenin inceliğine rağmen verimli ısı dağılımının gerekli olduğu elektronik, enerji teknolojisi ve makine mühendisliği gibi birçok teknik uygulamada kullanılır. Yüksek termal ve kimyasal dirençlerine ek olarak, belirgin anizotropik termal iletkenlikleri ile ayırt edilirler.
Folyo düzlemine dik (düzlem boyunca) termal iletkenlikleri nispeten düşükken, düzlem içinde (düzlem içi) çok yüksek Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik sergilerler. Bu özellikler büyük ölçüde üretimle ilgilidir, örneğin haddeleme nedeniyle. Düzlem içi Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik, folyo yüzeyi boyunca hızlı yanal ısı dağılımı sağlar. Bu, yerel ısı kaynaklarının verimli bir şekilde dağıtılmasını sağladığından, yerel sıcak noktaların azaltılması için özellikle önemlidir. Böylece grafit folyolar ısı yayıcı görevi görerek modern teknik sistemlerin termal kararlılığına ve güvenilirliğine önemli ölçüde katkıda bulunur.
Düzlem İçinden Düzleme Karşı
Düzlemler arası ve düzlem içi termal iletkenliğin doğru bir şekilde belirlenmesi, birçok teknik uygulamanın tasarlanması için merkezi bir öneme sahiptir. LFA (Lazer Flaş Analizi), uygun numune tutucuları ve modelleri ile bu görevi kolayca ve kullanıcı dostu bir şekilde yerine getirebilir. Düzlem boyunca ölçümler, ince numuneleri ölçmek için optimize edilmiş folyo numune tutucu kullanılarak gerçekleştirilir (bkz. Şekil 1, sol). Düzlem içi ölçümler ise düzlem içi numune tutucu (ısı akışı içe doğru) kullanılarak gerçekleştirilir; bkz. şekil 1, sağ.
Düzlem boyunca ölçümler numune yüzeyine dik olarak gerçekleştirilir. Düzlem içi ölçümlerde numunenin halka şeklinde aydınlatılması kullanılırken, sıcaklık artışı numune merkezinde tespit edilir. Bu, ölçüm sinyalini düzlemdeki ısı iletiminin karakteristiği haline getirir. Şekil 2'de bunu gösteren bir taslak gösterilmektedir.
Ölçüm Koşulları
Ölçüm koşulları tablo 1'de ayrıntılı olarak verilmiştir.
Tablo 1: Ölçüm koşulları
| LFA sistemi | LFA 717 HyperFlash® |
|---|---|
| Örnek | Grapit folyo |
| Örnek kalınlığı | 500 μm |
| YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. Yoğunluk | veri sayfasından ~ 1 g/cm³ |
| Özgül ısı kapasitesi | POCO grafitten elde edilen literatür değerleri [2] |
| Sıcaklık programı | 25 ila 500°C |
| Atmosfer | azot |
| Ölçüm yönü | düzlem boyunca ve düzlem içi |
| Örnek tutucu | düzlem boyunca → folyolar için numune tutucu düzlem içi → düzlem içi örnek tutucu (içe doğru ısı akışı) |
| Değerlendirme modelleri | düzlem boyunca → Cape Lehman'a dayalı standart model düzlem içi → ortotropik model |
Ortotropik Model
Değerlendirme sırasında grafit folyoların belirgin anizotropisini hesaba katmak için ortotropik model, termal difüziviteyi iki bağımsız bileşenle yöne bağlı bir miktar olarak tanımlar: biri numune düzlemine dik (α ) ve diğeri düzlemde (α||). Bu, doğrudan altta yatan ısı iletim denklemine yansıtılır.
Burada, z numune yüzeyine dik yönü (düzlem boyunca) ve r düzlemdeki radyal yönü (düzlem içi) ifade eder. Model, tüm yönlerde tek tip difüzivite varsaymak yerine, α|| ve α için bağımsız parametre değerleri içererek anizotropik malzemelerdeki gerçek ısı yayılımını hesaba katmasını sağlar. Düzlem içi bir ölçüm değerlendirilirken, daha önce ayrı bir ölçümde belirlenmiş olan düzlemler arası difüzivite, α , bilinen bir girdi parametresi olarak hesaplamaya dahil edilir. Bu, α|| 'nın kesin olarak belirlenmesini sağlar.
Birçok ticari LFA sistemi, düzlem içi ölçümleri değerlendirmek için yalnızca tek boyutlu modeller kullanır. Bu modeller yalnızca tek bir uzamsal yön boyunca ısı yayılımını tanımladığından, düzlem içi ve düzlemler arası difüziviteyi başlangıçtan itibaren ayırt etmek imkansızdır. Grafit folyolar gibi belirgin anizotropiye sahip malzemeler için bu durum kaçınılmaz olarak termal difüzivitenin düşük tahmin edilmesine yol açar.
Seçilen Modelin Ölçüm Sonucu Üzerindeki Etkisi
Şekil 3, grafit folyonun oda sıcaklığında düzlem boyunca ve düzlem içi yönlerdeki termal difüzivitesini göstermektedir. Yüzeye dik Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite (düzlem boyunca) Cape Lehman'a [1] dayanan standart model ile değerlendirilmiştir. Bu, düzlem içi termal difüziviteden iki mertebe daha düşüktür. Bu nedenle düzlem içi ölçümü değerlendirmek için ortotropik model kullanılır. Daha yakından incelendiğinde, düzlem içi ölçümlerde izotropik ve anizotropik davranış arasındaki ayrım önemlidir.
Şekil 4 bunu açıkça göstermektedir. Burada, grafit folyo üzerindeki ölçüm hem izotropik hem de ortotropik model kullanılarak değerlendirilmiştir. İzotropik değerlendirme önemli ölçüde daha düşük değerler verir (yaklaşık -%18) ve ayrıca önemli ölçüde daha zayıf bir eğri uyumu gösterir.
Sıcaklık ve Ölçüm Yönünün Bir Fonksiyonu Olarak Termal İletkenlik
Şekil 5, grafit folyonun oda sıcaklığından 500°C'ye kadar düzlem içi ve düzlemler arası yöndeki termal iletkenliğini göstermektedir. Termal iletkenlik, POCO Grafitin [2] özgül ısı kapasitesi ve oda sıcaklığındaki YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. yoğunluk kullanılarak hesaplanmıştır. Termal iletkenlik her iki yönde de artan sıcaklıkla birlikte azalmaktadır. Düzlem içi Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik, düzlemler arası termal iletkenlikten önemli ölçüde daha yüksektir.
Özet
Uygun numune tutucularla birleştirildiğinde, lazer flaş analizi, grafit folyoların hem düzlem boyunca hem de düzlem içi yönde oldukça anizotropik termal iletkenliğinin güvenilir bir şekilde belirlenmesini sağlar. Bu, ısının verimli bir şekilde dağıtılması ve sıcak noktaların azaltılması için çok önemli olan, büyüklük sırasına göre daha yüksek bir düzlem içi termal iletkenliği ortaya çıkarır. Doğru bir değerlendirme sağlamak için, izotropik yaklaşımlar özellikleri önemli ölçüde hafife aldığından, anizotropiyi hesaba katan bir model kullanmak çok önemlidir.