Einleitung
Für LFA-Messungen wird eine definierte Probendicke vorausgesetzt. Die TemperaturleitfähigkeitDie Temperaturleitfähigkeit (a mit der Einheit mm2/s) ist eine materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationären Wärmetransports. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert.Temperaturleitfähigkeit (a) ist proportional zum Quadrat der Probendicke (d): a ~ d². Dies erfordert eine hohe Genauigkeit bei der Dickenbestimmung. Zusätzlich stellt bei Probenhaltern für Flüssigkeiten der Wärmefluss in axialer Richtung durch die äußeren Containerwände einen weiteren kritischen Punkt dar. Ebenso können Messungen an Metallschmelzen den Probenhalter zerstören.
Diese Probleme werden mit dem neuen Probenhalter, der sich auch hervorragend für Metallschmelzen eignet, umgangen (Abbildung 1). Diese besondere Ausführung mit Bauteilen aus Edelstahl oder SiC erlaubt Messungen mit ausgezeichneten IR-Detektorsignalen − eine Voraussetzung für den Erhalt von hohen Genauigkeiten. Das Metall wird in einen Saphirtiegel eingebracht, der mit einem Saphirdeckel verschlossen wird. Eine definierte Probendicke in der Schmelze wird realisiert, indem zusätzliche eine Masse auf den Saphirdeckel gegeben wird. Dadurch ist eine flexible Positionierung des Deckels bezüglich der Höhe gegeben und etwaige Schäden des Saphirteils, bedingt durch die axiale thermische Ausdehnung des Metalls, können vermieden werden.
Messbedingungen
- Material: Aluminiumlegierung
- Geräte: LFA 467 HT HyperFlash/DSC 404 F1 Pegasus®
- Temperaturbereich: 450 °C → 750 °C → 450 °C
- Probenhalter: für Flüssigkeiten und Metalle, bestehend aus Saphir; in Edelstahl- (bis max. 750°C) und SiC Ausführung (bis max. 1250°C)
- Probendicke: 1,5 mm
- Vorbereitung der Probenoberfläche: Beschichtung mit dünner Grafitschicht
Messergebnisse
Die Eignung des neuen Probenhalters für Flüssigkeiten wurde mit der LFA 467 HT anhand einer Messreihe an einer Aluminiumlegierung getestet. Vor dem LFA Test wurden zusätzliche DSC-Messungen durchgeführt. Abbildung 2 zeigt den Phasenübergang während der Aufheizung und Abkühlung in der DSC. Während der Aufheizung (schwarze Kurve) beginnt bei 558 °C (Onset, Solidustemperatur) das mehrstufige Schmelzen der Legierung mit den Peaktemperaturen bei 569 °C und 600°C. Die letzte Stufe endet bei 623 °C (Liquidustemperatur). Im Abkühlzyklus zeigt sich ein geringer Unterkühlungseffekt (grüne gestrichelte Linie). Der Beginn der KristallisationAls Kristallisation bezeichnet man den physikalischen Vorgang der Verhärtung bei der Bildung und beim Wachstum von Kristallen. Bei diesem Prozess wird Kristallisationswärme frei.Kristallisation setzt zwischen 610 °C ... 600 °C ein − ca. 10 bis 15 K unterhalb der Liquidustemperatur während der Aufheizung. Die Kristallisation ist bei 535 °C abgeschlossen.
Abbildung 3 stellt die LFA-Messung der Aluminiumlegierung zwischen 450 °C und 750 °C dar. Die Werte der Temperaturleitfähigkeit beim Aufheizen und Abkühlen liegen in guter Übereinstimmung. Das sind Anzeichen dafür, dass der IR-Detektor eine ausgezeichnete Signalstabilität besitzt und dass die Bedingungen sowohl innerhalb als auch außerhalb der Phasenübergänge identisch sind (z.B. konstante Dicke der Flüssigkeit/des festen Metallfilms). Die Solidustemperatur liegt zwischen 550 °C und 757 °C (zum Vergleich: DSC bei 558 °C) und die Liquidustemperatur zwischen 600 °C und 625 °C (zum Vergleich: DSC bei 623 °C). Die gute Übereinstimmung zwischen den beiden unabhängigen Apparaturen demonstriert die hohe Temperaturgenauigkeit der LFA 467 HT HyperFlash.
Die Berechnung der WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit λ(T) basiert auf folgender Gleichung:
mit
ρ = DichteDie Massen-Dichte ist definiert als Verhältnis zwischen Masse und Volumen.Dichte
α = Temperaturleitfähigkeit
cp = Spezifische Wärmekapazität (cp)Die spezifische Wärmekapazität oder Wärmekapazität ist eine messbare physikalische Größe, die dem Verhältnis der einem Objekt zugeführten Wärme zur resultierenden Temperaturänderung entspricht.spezifische Wärmekapazität
Die Dichte ρ kann bei Raumtemperatur mittels Volumen und Masse bestimmt werden. Für präzise Ergebnisse kann ein Dilatometer zur Berücksichtigung der thermischen Ausdehnung und der temperaturabhängigen Dichteänderung eingesetzt werden. Die gemessenen/berechneten cp*(T) DSC-Kurven beinhalten den Beitrag der Phasenänderungsenthalpien Δhphase und können wie folgt beschrieben werden:
cp* dT = cp dT + dhphase
Für den Erhalt der „wahren“ spezifischen Wärmekapazität cp(T), die zur Berechnung der Wärmeleitfähigkeit benötigt wird, muss die Phasenänderungsenthalpie abgezogen werden:
cp dT = cp* dT - dhphase
Das erfolgt üblicherweise mittels linearer Interpolation innerhalb des Phasenübergangsbereichs.
Abbildung 4 zeigt die thermophysikalischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung einschließlich der berechneten Wärmeleitfähigkeit für den Fest-Flüssig-Phasenübergang.
Zusammenfassung
NETZSCH hat einen neuen Probenhalter für Flüssigkeiten für die LFA 467 HT HyperFlash entwickelt, der in zwei Versionen − bis 750 °C bzw. 1250 °C − lieferbar ist. Messungen an einer Aluminiumlegierung zeigen deutlich die hohe Reproduzierbarkeit der Ergebnisse während der Aufheizung (Schmelzen) und Abkühlung (Kristallisation). Das spezielle Design des Probenhalters sorgt für eine konstante Probendicke während des Schmelzens. Gleichzeitig wird mechanischer Druck, bedingt durch die thermische Ausdehnung, auf die Saphirteile verhindert. Dank der ausgezeichneten Signalstabilität konnte eine hohe Genauigkeit mit geringer Streuung erzielt werden. Es zeigt sich eine gute Übereinstimmung mit den DSC Ergebnissen; alle detektierten Phasenübergangstemperaturen liegen im erwarteten Bereich.