Spis treści
Ogólnie rzecz biorąc, przewodność cieplna wyrażenia to ilość ciepła, która przepływa przez sześcian 1x1x1m materiału w ciągu 1 sekundy, jeśli między dwoma przeciwległymi bokami występuje gradient temperatury dokładnie 1 K.
To sprawia, że przewodność cieplna jest charakterystyczną właściwością materiału z własnym symbolem (λ – „lambda”) i własną jednostką SI W / mK. Jego odwrotnością jest opór cieplny właściwy.
Definicja naukowa
Naukowa definicja przewodności cieplnej określa ją jako właściwość materiału opisującą transport ciepła w próbce. Dla każdej temperatury próbki uzyskuje się ją z iloczynu gęstości, dyfuzyjności cieplnej i pojemności cieplnej właściwej w tej temperaturze (równanie 1) i można ją opisać jako ujemny iloraz gęstości strumienia ciepła i gradientu temperatury (równanie 2). Przykład w (równaniu 3) służy jako ilustracja.
λ = ρ * cp * α (1)
λ = przewodność cieplna, ρ = gęstość, cp = pojemność cieplna właściwa, α = dyfuzyjność cieplna
λ = -q / ∆T (2)
λ = przewodność cieplna, q = średnia gęstość strumienia ciepła, ∆T = gradient temperatury
Jeśli definicja ta zostanie wykorzystana do rozważenia na przykład próbki cylindrycznej, można wykonać następujące obliczenia: Jeśli rozważany jest idealny jednorodny cylinder o długości l i stałym przekroju A, który jest izolowany z boku i może mieć tylko jedną zmianę temperatury na swoich dwóch końcach, gradient temperatury na jego długości wynosi (∆T) / l. Gęstość przepływu ciepła w kierunku od strony gorącej do zimnej wynosi λ * (∆T) / l.
Jeśli weźmiemy pod uwagę przekrój A, występuje przepływ ciepła Q który można obliczyć za pomocą (równanie 3):
Q = (A * λ * ∆T) / l (3)
λ = przewodność cieplna, Q = przepływ ciepła, ∆T = gradient temperatury, A = przekrój poprzeczny, l = długość
Pomiar przewodności cieplnej (metody):
Metody pomiarowe do określania przewodności cieplnej są zróżnicowane, ale można je podzielić na dwie podstawowe grupy w celu lepszego przeglądu: metody pomiaru przejściowego i stacjonarnego.
W naszym filmie nasi dwaj naukowcy wyjaśniają różnicę między tymi metodami.
Stacjonarne metody pomiarowe
proces płytowy, taki jak „ strzeżona płyta grzejna „, „ Heat Flow Mete r ” lub „ Thermal Interface Material Tester ” należą do stacjonarnych metod pomiarowych.
Próbka materiału jest umieszczana pomiędzy ogrzewaną i chłodzoną płytą. Powoduje to gradient temperatury, a w konsekwencji również przepływ ciepła wzdłuż próbki, który jest monitorowany aż do osiągnięcia stałej wartości końcowej.
Jeśli znana jest grubość próbki i zmierzony przepływ ciepła, można obliczyć przewodność cieplną próbki. Za pomocą testera TIM można zmierzyć rezystancję termiczną pod zmiennym obciążeniem lub ściskaniem i na tej podstawie określić przewodność cieplną i rezystancję kontaktu termicznego.
Metody pomiaru stanów nieustalonych
Dobrze znanym przykładem procesów przejściowych jest proces laserowego flashowania – klasyk, który istnieje od 1975 roku i jest nadal używany na całym świecie. Powód: pomimo wysokich kosztów i złożoności technicznej, zapewnia niezwykle precyzyjne wyniki, nawet w ekstremalnych warunkach do 2800 °C. Tarcza z próbką jest podgrzewana z jednej strony za pomocą krótkiego, wysokoenergetycznego lasera lub błysku światła. Następnie detektor podczerwieni mierzy wzrost temperatury po przeciwnej stronie. W połączeniu z grubością próbki, dyfuzyjność cieplna może być obliczona przy użyciu modelu przewodności cieplnej.
Metody drutu grzejnego i taśmy grzejnej (np. metoda przejściowego gorącego mostka) również należą do technik przejściowych. Są one elastyczne, mogą być stosowane w wielu różnych konfiguracjach czujników i dlatego obejmują duży zakres pomiarowy. Drut grzejny osadzony w podłożu stale emituje ciepło. Wynikowy, zależny od czasu rozkład temperatury w próbce i czujniku jest rejestrowany za pomocą zintegrowanego termometru – bezpośredniego wskaźnika właściwości transportu termicznego materiału.
Cecha szczególna: Pomiar przewodności cieplnej na cienkich warstwach
Szczególnym przypadkiem jest pomiar przewodności cieplnej w cienkich warstwach w zakresie od nanometrów do mikrometrów. Chociaż pomiary te są częściowo oparte na tych samych podstawowych zasadach, co w przypadku próbek stałych, ich praktyczna implementacja znacznie się różni. Zamiast klasycznej metody błysku laserowego stosuje się tu na przykład termorefleksję w dziedzinie czasu (TDTR ), podczas gdy metoda 3-omega jest wyspecjalizowaną formą metody paska grzejnego. Te adaptacje są konieczne, aby wiarygodnie uchwycić specjalne warunki brzegowe ultracienkich warstw.
