Измерение теплопро­водности тонких пленок, фольг, волокон

01/06/2016

Для определения теплопроводности твердых тел разработано много методов, из которых метод регулярного теплового режима, метод квазистационарного теплового режима, метод монотонного теплового режима и метод мгновенного источника (на котором основано большинство современных приборов измерения теплопроводности) являются наиболее распространенными. Эти методы хорошо подходят для определения теплопроводности объемных твердых тел, имеющих форму круглого диска, параллелепипеда, призмы, пластины с толщинами от одного миллиметра и больше. Однако, иногда требуется определять теплопроводность тонких пленок и волокон, которые находят все большее применение в электронике и композитной индустрии. И в этом случае все перечисленные выше методы определения теплопроводности являются очень неудобными, и при попытке их использования неизбежно будут приводить к появлению очень больших ошибок в измерениях. Столкнувшись с необходимостью решения подобных задач, мы проанализировали возможности разработки доступных методик и приборного обеспечения, не требующих больших финансовых вложений и времени. В итоге, в качестве метода удовлетворяющего этим требованиям, был выбран метод температурных волн. Методы температурных волн основываются на закономерностях теплообмена тел в среде, температура которой - гармоническая функция времени. В этом случае по истечении некоторого промежутка времени изменение температуры тела в любой точке также будет гармоническим. Теоретические основы метода были заложены еще в работах Ангстрема, который впервые применил указанный метод для исследования теплофизических свойств материалов в форме стержня. Методы температурных волн позволяют исследовать коэффициенты температуропроводности только вблизи одной фиксированной температуры. Эти методы получили широкое распространение как в области умеренных, так и в области высоких температур. Для измерения теплопроводности тонких плоских образцов или волокон можно применить метод температурных волн модифицированный Вагонером и др. Температура измеряется в двух точках вдоль образца как функция времени, и с помощью анализа распространения тепловой волны вычисляется температуропроводность. Для измерения температуры вдоль образца должны использоваться две термопары. Теромпары располагаются на небольшом расстоянии друг от друга на протяжении образца. Теплоемкость и размеры термопары должны быть очень маленькими для того чтобы максимально снизить тепловую инертность и точнее отражать процесс распространения тепловой волны вдоль образца. Амплитуда температур нагрева выбирается небольшая, порядка одного – двух градусов.

Частота изменения амплитуды нагрева выбирается в зависимости от свойств измеряемого образца и находится в области мГц. Таким образом, форма тепловой волны задается уравнением: 

Тепловая волна распространяется вдоль образца в соответствии с уравнением: 

    

Где В – является коэффициентом описывающим тепловые потери. Решая совместно данные уравнения, можно получить для температуропроводности следующее уравнение: 

 

Здесь l – расстояние между термопарами, Т1 и Т2 – амплитуды температуры в данных точках, ?t – задержка времени прохождения максимальной амплитуды тепловой волны между двумя термопарами. Для генерации тепловых волн мы использовали элемент Пельтье, на который подавались управляющие импульсы от электронного модуля. Данное устройство работает по принципу обратной связи с одной управляющей термопарой расположенной на элементе Пельтье. Электронный модуль включает термопары, усилитель, компаратор, фильтры низких частот, коммутатор, ЦАП-АЦП и микроконтроллер, который управляет модулем с помощью ПО и осуществляет связь с ПК. Для обработки данных, полученных с управляющего электронного модуля, была написана программа позволяющая производить их статистическую обработку и вычисление значащих параметров. Программа написана на языке R с использовании веб фреймворка SHINY. Доступ к программе осуществляется через веб интерфейс.
Разработанная методика и приборное обеспечение, по нашим оценкам, позволяют оперативно проводить измерение температуропроводности образцов тонких фольг, пленок, волокон хорошо проводящих тепло материалов (металлы, графиты, высокотеплопроводные керамики, углеродное волокно, …). Погрешность измерений не превышает 5%.

 

Диалоговая программа электронного модуля:

 

Окнопрограммы статистической обработки данных: