توسعه روش منبع صفحه‌ای گذرا برای اندازه‌گیری هدایت و نفوذ حرارتی کامپوزیت گرافیت با وجود محدودیت‌های هندسی

روش منبع صفحه‌ای گذرا (transient plane source) به عنوان یکی از دقیق‌ترین روش‌های موجود، تحلیل خواص حرارتی مواد گوناگون از جمله جامدات، مایعات و پودرها را فراهم می‌سازد. این روش با قابلیت بررسی پارامترهای حرارتی مواد ناهمسانگرد در دو راستای شعاعی و محوری، امکان اندازه‌گیری دقیق و بدون تخریب نمونه را برای طیف وسیعی از مواد رسانا و عایق فراهم می‌سازد. همچنین، کنترل دما در طول آزمایش، شرایط بهینه را برای اندازه‌گیری دقیق‌تر فراهم می‌کند. با این وجود، محدودیت اصلی این روش، لزوم رعایت شرایط خاص بین عمق نفوذ حرارتی و شعاع سنسور است که در برخی از اوقات با توجه به ابعاد هندسی قطعه، چالش‌برانگیز خواهد بود. در این پژوهش، از روش منبع صفحه‌ای گذرا برای تعیین هدایت و نفوذ حرارتی کامپوزیت گرافیت به عنوان ماده‌ای ناهمسانگرد استفاده شده است. علی‌رغم محدودیت‌های هندسی در اندازه‌گیری، با اتصال چند نمونه و حذف مقاومت حرارتی اضافی، الزامات این روش اندازه‌گیری برآورده شد. با توجه به ناهمسانگرد بودن نمونه، اندازه گیری مقدار ظرفیت گرمایی ویژه گرافیت نیز ضروری بود که روش نویی برای این اندازه گیری با خطای کمتر از 7 درصد ارائه شده است. رسانایی حرارتی گرافیت در راستای محوری برابر با w·m⁻¹·k⁻¹ 792/20 و در راستای شعاعی برابر با w·m⁻¹·k⁻¹390/51 اندازه‌گیری شد. برای اعتبارسنجی روش، از آلومینیوم به عنوان ماده‌ای با فرض ناهمسانگردی استفاده شد. نتایج نشان می‌دهند که منبع صفحه‌ای گذرا ابزاری قدرتمند برای تحلیل رفتار حرارتی مواد است و می‌تواند نقش مهمی در بهینه‌سازی طراحی سیستم‌های مهندسی و انرژی با هدف بهبود عملکرد و افزایش دوام ایفا کند.

development of the transient plane source method for measuring thermal conductivity and diffusivity of graphite composite under geometric constraints

the transient plane source (tps) method is one of the most accurate techniques for analyzing the thermal properties of materials،including solids،liquids،and powders. this method enables the evaluation of thermal parameters of anisotropic materials in both radial and axial directions،providing precise and non-destructive measurements for conductive and insulating materials. temperature control during experiments further improves measurement accuracy. however،a key limitation of this method is the requirement to satisfy specific conditions between the thermal penetration depth and the sensor radius،which can be challenging depending on specimen geometry. in this study،the tps method was used to determine the thermal conductivity and thermal diffusivity of a graphite composite as an anisotropic material. despite geometric limitations،the measurement requirements were fulfilled by connecting multiple specimens and eliminating additional thermal contact resistance. owing to the anisotropic nature of the sample،accurate determination of the specific heat capacity of graphite was also necessary; therefore،a novel measurement approach with an error of less than 7% was proposed. the thermal conductivity of graphite was measured as 20.792 w·m⁻¹·k⁻¹ in the axial direction and 51.390 w·m⁻¹·k⁻¹ in the radial direction. to validate the methodology،aluminum was used as a reference material assuming isotropic behavior. the results confirm that the tps method is a powerful tool for analyzing the thermal behavior of materials and can contribute to optimizing the design of engineering and energy systems to improve performance and durability