Giriş
Yalnızca yüksek hassasiyet, uygun bir darbe genişliği ve gelişmiş veri değerlendirme özelliklerine sahip flaş sistemleri ince, yüksek iletkenliğe sahip malzemeleri doğru bir şekilde ölçebilir. Bu tür malzemeleri ölçerken karşılaşılan en büyük zorluk, ölçüm süresinin son derece kısa olmasıdır. Bu, hem yüksek veri toplama hızı hem de çok düşük bir darbe genişliği gerektirir.
Bakır bunun için mükemmel bir örnektir. Kalınlığı 0,3 mm'den birkaç milimetreye kadar olan bu malzeme, genellikle hem yanal ısı dağılımının hem de güvenilir mekanik entegrasyonun gerekli olduğu yerlerde ısı yayıcı, alt tabaka katmanı veya yapılandırılmış soğutma plakası olarak kullanılır. Tipik uygulamalar, kompakt tasarım ve verimli ısı dağılımının çok önemli olduğu güç elektroniği, pil teknolojisi ve yüksek termal StresStres, iyi tanımlanmış bir kesite sahip bir numune üzerine uygulanan kuvvet seviyesi olarak tanımlanır. (Stres = kuvvet/alan). Dairesel veya dikdörtgen kesitli numuneler sıkıştırılabilir veya gerilebilir. Kauçuk gibi elastik malzemeler orijinal uzunluklarının 5 ila 10 katına kadar gerilebilir.stres altındaki montajlarda bulunabilir.
Yöntem ve Ölçüm Koşulları
LFA 707 StratoFlash® Classic , özellikle yüksek sıcaklıklarda gerekli olan yüksek enerji yoğunluğuna ulaşan bir lazerle donatılmıştır. Bununla birlikte, ince malzemeleri ölçerken, hasarı ve aşırı ısınmayı önlemek için düşük enerji girişi gereklidir.
Ayarlanabilir darbe genişliği ve voltajı sayesinde LFA 707 StratoFlash® Classic enerji girişini ölçüm gereksinimlerine uyarlayabilir. Dedektör, en kısa ölçüm sürelerinde bile yeterli sayıda veri noktası sağlayan 2 MHz'lik bir veri toplama hızına sahiptir.
Ölçüm koşulları tablo 1'de ayrıntılı olarak verilmiştir.
Tablo 1: Ölçüm koşulları
| Malzeme | Saf bakır |
| Kalınlık | 0.32 mm ila 4 mm |
| Örnek tutucu | Ø 12,7 mm |
| Sıcaklık | Oda sıcaklığı |
| Darbe genişliği | 100 ila 600 μs |
| Model | Darbe Düzeltmeli Cape Lehmann'a dayalı Standart Model |
Ölçüm Sonuçları ve Tartışma
Şekil 1, 0,32 mm'den 4 mm'ye kadar değişen farklı kalınlıklardaki bakırın termal difüzivitesini göstermektedir. Tüm sonuçlar, oda sıcaklığında yaklaşık 117 mm²/s olan literatür değerine kıyasla ±%2,5 dahilindedir [1].
Darbe uzunluğu, kalınlığa ve ölçüm süresine göre 100 μs ila 600 μs arasında ayarlanmıştır. Yarılanma süresi (t1/2), 0,32 mm'lik numune için yaklaşık 210 μs'den 4 mm'lik en kalın numune için 24 ms'ye kadar iki büyüklük mertebesinde değişmiştir.
Şekil 2, minimum ve maksimum kalınlıktaki numuneler için sinyalleri göstermektedir. Her iki ölçümün sinyal-gürültü oranı ideal değildir. Bunun nedeni aşırı ısınmayı önlemek için kullanılan düşük enerji girdisi ve ölçümlerin oda sıcaklığında yapılmasıdır. Bununla birlikte, matematiksel model verilere mükemmel bir şekilde uymaktadır ve bu da son derece doğru sonuçlar elde etmek için kritik öneme sahiptir. Lazer flaş analizinde, termal difüziviteyi belirlemek için kullanılan matematiksel modeller, anlık bir enerji girişi (Dirac darbesi) varsayılarak ısı iletim denkleminin analitik çözümüne dayanır. Ancak gerçekte lazer darbesi her zaman sonlu bir süreye sahiptir. Nispeten uzun bir ölçüm süresine sahip numuneler için, darbe süresi tipik olarak karakteristik ölçüm süresinden çok daha kısadır ve ideal varsayımdan sapmaları ihmal edilebilir hale getirir (Şekil 2: 4 mm bakır).
Bakır gibi yüksek iletkenliğe sahip malzemeler için, özellikle de ince numuneler ölçülürken, termal tepki çok kısa bir süre içinde ortaya çıkar. Bu gibi durumlarda, darbe süresi numunenin karakteristik difüzyon süresi ile aynı büyüklüktedir (Şekil 2: 0,32 mm bakır). Bu durum, ısıtma aşaması ile numunenin termal yanıtı arasında bir örtüşmeye yol açar ve bu da sıcaklık eğrisini ve dolayısıyla hesaplanan termal difüziviteyi bozabilir.
Nabız Düzeltme
Bu etkiyi hesaba katmak için NETZSCH LFA Proteus® analiz yazılımı otomatik olarak üstel darbe düzeltmesini uygular [2]. Anlık bir enerji girişi varsaymak yerine, değerlendirme sırasında lazer darbesinin gerçek sinyali dikkate alınır. Bu, sıcaklık tepkisinin hesaplanmasında zamana bağlı ısı girdisinin dikkate alınmasını sağlayan konvolüsyon yoluyla darbe sinyalinin dahil edilmesiyle elde edilir. Bu şekilde, değerlendirilen 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 idealize edilmiş anlık bir darbe yerine gerçek deneysel koşulları yansıtır.
Değerlendirme sırasında gerçek darbe şeklinin dikkate alınmasıyla, darbe düzeltmesi ince ve yüksek iletkenliğe sahip numuneler için 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 belirleme doğruluğunu önemli ölçüde artırır. Numune kalınlığı azaldıkça ve 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 arttıkça bu durum giderek daha önemli hale gelmektedir.
Son derece kısa ölçüm süreleri ve dolayısıyla son derece kısa t1/2 için, sağlam ve hassas bir darbe düzeltmesi en önemli analiz özelliğidir. Bu durum şekil 3'te gösterilmektedir. Şekil 1'de olduğu gibi, mavi noktalar farklı kalınlıklara sahip bakırın termal difüzivitesini temsil etmektedir. Bu durumda, değerlendirme için darbe düzeltmesi kullanılmıştır. Turuncu üçgenler aynı ölçümleri temsil etmektedir, ancak değerlendirme darbe düzeltmesi olmadan gerçekleştirilmiştir. Numune kalınlığının azaltılması - daha kısa ölçüm süreleriyle sonuçlanır - darbe örtüşmesinden kaynaklanan hataların artmasına neden olur.
Sonuç
Sonuçlar, son derece kısa termal tepki sürelerine sahip ince, yüksek iletkenliğe sahip bakır numunelerin bile LFA 707 StratoFlash® Classic kullanılarak doğru bir şekilde ölçülebileceğini göstermektedir. Ayarlanabilir puls kontrolü, yüksek hızlı veri toplama ve gelişmiş puls düzeltme kombinasyonu, zorlu ölçüm koşullarında bile güvenilir 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 sonuçları sağlar. Bu da LFA 707 StratoFlash® Classic cihazını çok yüksek termal difüziviteye sahip malzemelerin karakterizasyonu için güçlü bir çözüm haline getirmektedir