Aktuálne metódy merania tepelnej vodivosti materiálov v elektrotechnike

V elektrotechnickej praxi pri konštruovaní nových zariadení je konštruktér často postavený pred potrebu pracovať aj s fyzikálnymi veličinami, ktoré priamo nesúvisia s elektrotechnickou či elektronickou stránkou produktu. Prírodné zákony však nemajú výnimky, a tak je konštruktér nútený sa nimi riadiť. Jednou z konštruktérsky významných materiálových charakteristík je tepelná vodivosť.

Merná tepelná vodivosť udáva veľkosť tepelného toku prechádzajúceho cez jednotkový objem materiálu pri teplotnom spáde 1 °C. Prakticky používaný vzťah na výpočet tepelného výkonu prechádzajúceho cez materiál s tepelnou vodivosťou λ [Wm-1K-1], plochou S [m²], hrúbkou d [m], pri teplotnom spáde ΔT [°C] je P = λS/dΔT.

V praxi sa konštruktér musí zaoberať tepelnou vodivosťou použitých materiálov v prípade tepelných izolácií, napríklad pre akumulátory či elektroniku v arktických podmienkach, ale aj v bežných aplikáciách, ako napríklad mobilné telefóny či rôzne plne krytované zariadenia, ktoré je nutné zbaviť prebytočného tepla práve vedením cez kryt.

Kým v minulosti požívané kovové súčasti krytov tento problém elegantne obchádzali, dnešný trend znižovania cien spolu s dizajnovými požiadavkami spravidla neumožňujú realizáciu krytu z iného materiálu ako plast. Súčasné trendy miniaturizácie a zvyšovania výkonu zároveň konštruktéra nútia siahať až na hranice fyzikálnych možností použitých materiálov. Preto je potrebné počas výroby precízne kontrolovať všetky relevantné vlastnosti komponentov zariadenia, keďže niekedy aj malá odchýlka v technologickom procese môže zapríčiniť neakceptovateľnú zmenu vlastností.

Samotné meranie tepelnej vodivosti vychádza z uvedeného vzorca a principiálne ide o meranie tepelného spádu na vzorke pri prenose známeho výkonu, prípadne o meranie výkonu potrebného na udržanie konštantnej teploty vzorky. Technická realizácia sa líši podľa typu vzorky a podľa meraného rozsahu.

Najtypickejším reprezentantom je meranie typu „hot plate“ či „guarded hot plate“, ktorého schematické usporiadanie je na obr. 1. Systém obsahuje vyhrievaciu platňu, ktorá je od chladiacej platne oddelená vzorkou meraného materiálu. Okolo vyhrievacej platne je umiestnená homogenizačná platňa vyhrievaná na rovnakú teplotu, ktorá zabezpečí homogenitu teplotného poľa v meranej oblasti. Zo známych rozmerov zariadenia a hrúbky vzorky, ako aj z výkonu potrebného na ohrev (alebo nameraného rozdielu teplôt pri známom výkone) je možné vypočítať tepelnú vodivosť vzorky. V klasickom usporiadaní (vľavo) sú potrebné dve rovnaké vzorky, preto býva zariadenie modifikované prídavným ohrevom. V prípade, že platňa prídavného ohrevu má rovnakú teplotu ako meracia platňa, sú tepelné straty týmto smerom nulové. Táto meracia metóda je použiteľná pre materiály s nízkou tepelnou vodivosťou, ako sú plasty, sklo a podobne. Dosahuje vysokú presnosť, pričom meranie si vyžaduje pomerne dlhý čas potrebný na ustálenie teplotného poľa v meranej vzorke. Takéto zariadenie je možné použiť aj na kontrolu polotovarov či hotových výrobkov. Praktickým obmedzením je nutnosť dostatočne veľkej rovinnej plochy [1].

Pre kovové materiály je využiteľná metóda priameho ohrevu vzorky prechodom elektrického prúdu. Usporiadanie zariadenia je na obr. 2. Meraná vzorka je upnutá medzi chladené elektródy a ohrievaná prechodom prúdu. Valec homogenizačného ohrevu umiestnený okolo vzorky slúži na minimalizáciu prenosu tepla radiáciou. Prenos tepla vedením je eliminovaný umiestnením vo vákuu. Z nameraného teplotného a napäťového spádu pri známom prúde je možné určiť hodnotu tepelnej vodivosti meranej vzorky. Zrejmou nevýhodou je značná zložitosť zariadenia, ako aj potreba prípravy špecializovanej vzorky. Výhodou metódy je široký teplotný rozsah, keďže vzorku je možné zohrievať/chladiť v širokom rozsahu teplôt (4–1 000 K) [1].

Na meranie tenkovrstvových materiálov nie je možné použiť konvenčné metódy, keďže skúmaný materiál je spravidla pevne spojený s nosným substrátom. Na meranie takýchto vzoriek sa využíva metóda 3ω. Usporiadanie meracej zostavy je na obr. 3. Nosný substrát je vyhrievaný alebo chladený na pracovnú teplotu 77 až 900 K. Tenkovrstvový kovový ohrievací element vytvorený na meranej vzorke je napájaný striedavým prúdom s uhlovou frekvenciou ω. Vzniknuté teplo je meranou vrstvou absorbované a spôsobí jej ohrev. Zmeny teploty sú vyhodnocované ako zmena úbytku napätia následkom zmeny elektrického odporu ohrievacieho elementu. Vyhodnocované sú zmeny signálu v špecifickej frekvenčnej oblasti, teda „jednosmerné“ tepelné straty sa neuplatňujú. Keď kruhová frekvencia ohrievacieho prúdu je ω, teplota vzorky sa mení s kruhovou frekvenciou 2ω a merané napätie s kruhovou frekvenciou 3ω. Z toho je odvodený názov metódy [2].

Na meranie tepelnej vodivosti kvapalín, plynov a tepelnoizolačných materiálov sú vhodné metódy založené na meraní teplotného spádu v definovanej vzdialenosti od tepelného zdroja. Typickým predstaviteľom je metóda „hotwire“ zobrazená na obr. 4. V definovanej vzdialenosti (d) od vyhrievacieho drôtu je umiestnený termočlánok. Teplota je meraná v bode Mb. Výhodou metódy je jednoduchá príprava vzorky. V prípade merania tepelnej vodivosti kvapalín je potrebné iba umiestniť meraciu zostavu, v prípade tuhých materiálov je meracia zostava umiestnená medzi dvoma rovinnými homogénnymi vzorkami rovnakej veľkosti [2]. Modifikácia tejto metódy sa využíva na meranie prietoku plynov, keďže tepelná vodivosť plynov je silne závislá od rýchlosti prúdenia. Typickým a každodenným príkladom je váha vzduchu v automobiloch.

Na meranie tepelnej vodivosti špecifických materiálov, ako sú tenké kovové fólie alebo napríklad grafén, boli vyvinuté metódy založené na princípe ohrevu laserom. Meraná vzorka je v utesnenej komore spravidla v ochrannej atmosfére ožarovaná laserovými impulzmi. Vzniknuté teplo spôsobí mechanickú deformáciu vzorky, ktorá sa prejaví tlakovými vlnami (obr. 5). Tieto sú snímané mikrofónom. Iným spôsobom vyhodnotenia šírenia tepla meranou vzorkou je snímanie teplotného poľa rýchlou infračervenou kamerou. V oboch prípadoch je vyhodnocovaná rýchlosť šírenia tepla, čo sa prejaví zmenou charakteristickej frekvencie snímaného signálu [1]. Pri vyššej tepelnej vodivosti dochádza k ohriatiu a deformácii väčšieho množstva materiálu, teda mechanická frekvencia kmitov bude nižšia.

Popisované metódy predstavujú výber základných princípov merania tepelnej vodivosti. V praxi použitá metóda, jej modifikácia a konkrétna fyzická realizácia závisí od konkrétnych potrieb merania. Či už ide o rozsah merateľnej tepelnej vodivosti, požadovaný teplotný rozsah, rýchlosť merania, alebo v neposlednom rade náročnosť prípravy vzoriek.