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一般に、熱伝導率とは、1x1x1mの立方体の材料の対向する2辺間にちょうど1Kの温度勾配がある場合に、1秒間にその中を流れる熱量のことである。
。このことから、熱伝導率は、独自の記号(λ – “ラムダ”)と独自のSI単位W / mKを持つ特徴的な材料特性となる。その逆数が比熱抵抗です。
科学的定義
熱伝導率の科学的定義は、試料内の熱輸送を記述する材料特性であるとしています。各試料温度について、密度、熱拡散率、およびこの温度における比熱容量の積から求められ(式1)、熱流束密度と温度勾配の負の商として記述することができます(式2)。(式3)の例はその例証となる。
λ = ρ * cp * α (1)
λ=熱伝導率、ρ=密度、cp=比熱容量、α=熱拡散率
λ = -q / ∆T (2)
λ = 熱伝導率、q = 平均熱流束密度、ΔT = 温度勾配
この定義を使って、例えば円筒形の試料を考えると、次のような計算ができる:長さl、断面A一定の理想的な均質円筒を考え、その側面が断熱され、その両端で温度変化が1回しかない場合、その長さにわたる温度勾配は(ΔT)/lとなる。高温側から低温側への熱流の密度はλ* (∆T) / lである。
断面 A を考えると、次のようになる。 熱流Qがあり、これは(式3)を使って計算できる:
Q = (A * λ * ∆T) / l (3)
λ = 熱伝導率、Q = 熱流、∆T = 温度勾配、A = 断面積、l = 長さ
熱伝導率測定(方法):
熱伝導率を決定するための測定方法は多岐にわたりますが、概観しやすくするために、過渡的な測定方法と定常的な測定方法の2つの基本グループに分類することができます。
ビデオでは、2人の科学者がこれらの方法の違いを説明している。
静止測定法
プレートプロセスガード付きホットプレート“、”ヒートフローメr「または”サーマル・インターフェイス・マテリアル・テスター「は定置式測定法に属する。
試料は加熱プレートと冷却プレートの間に置かれる。この結果、温度勾配が生じ、その結果、試料に沿った熱流も生じ、最終的に一定の値に近づくまでモニターされます。
試料の厚さと測定された熱流がわかれば、試料の熱伝導率を計算することができます。TIMテスターを使えば、可変荷重または圧縮下で熱抵抗を測定し、そこから熱伝導率と熱接触抵抗を求めることができます。
トランジェント測定法
過渡プロセスのよく知られた例は、レーザー・フラッシュ・プロセスである。その理由は、高いコストと技術的な複雑さにもかかわらず、最高2,800 °Cという過酷な条件下でも、極めて精密な結果が得られるからである。サンプルディスクは、短時間の高エネルギーレーザーまたは光フラッシュによって片面が加熱される。その後、赤外線検出器が反対側の温度上昇を測定します。試料の厚さと組み合わせて、熱伝導率モデルを用いて熱拡散率を計算することができます。
ヒーティングワイヤー法やヒーティングストリップ法(例えば過渡ホットブリッジ法)も過渡技術に属する。これらは柔軟性があり、多様なセンサー構成で使用できるため、広い測定範囲をカバーします。基板に埋め込まれた発熱線は常に熱を発している。その結果、試料とセンサーの時間依存的な温度分布が、内蔵の温度計で記録され、材料の熱輸送特性の直接的な指標となる。
特集:薄膜の熱伝導率測定
特殊なケースとして、ナノメートルからマイクロメートルの範囲の薄層における熱伝導率の測定がある。これらの測定は、部分的には固体試料の場合と同じ基本原理に基づいていますが、実際の実装は大きく異なります。例えば、古典的なレーザーフラッシュ法の代わりに、ここでは時間領域熱反射率(TDTR)が使用され、3-omega法はヒーティングストリップ法の特殊な形式です。これらの適応は、超薄層の特殊な境界条件を確実に捉えるために必要である。