مقدمة
منذ تطوير طريقة الوميض بالليزر بواسطة باركر وآخرون في عام 1961 [1]، تم إدخال تحسينات مختلفة على هذه الطريقة لتحديد الانتشار الحراري دون تلامس وغير مدمر. في الوقت الحاضر، يجب أن تسمح الأجهزة والبرمجيات بإجراء قياسات على أشكال هندسية وأشكال وأشكال مختلفة للعينات. أصبح من الضروري أن يكون جهاز وميض الليزر/الضوء الوامض (LFA) قادرًا على اختبار ليس فقط المواد الصلبة، ولكن أيضًا العينات المسحوقية والسائلة والمفتتة والمسامية. ولهذا السبب، يجب توفير بعض المتطلبات الأساسية للأجهزة مثل حوامل العينات المحددة. بالإضافة إلى ذلك، تزداد أهمية نماذج البرمجيات التي تأخذ في الاعتبار تأثير شكل العينة وشكلها من أجل التحديد الدقيق للانتشار الحراري (a) والتوصيل الحراري (λ) والسعة الحرارية النوعية (cp).
في السنوات الأخيرة، قامت NETZSCH باستمرار بتحسين وتطوير نماذج حسابية وتصحيحات وعمليات رياضية مع الأخذ في الاعتبار فقدان الحرارة مع تصحيح النبض والإشعاع والأنظمة متعددة الطبقات والاختبارات داخل المستوى وتصحيحات خط الأساس وما إلى ذلك. تقدم هذه المذكرة التطبيقية نموذج الاختراق القائم على McMasters [2] للقياسات على المواد المسامية.
المواد المسامية تمثل تحديًا - ولكن ليس بالنسبة لنموذج الاختراق
بالنسبة لقياسات الوميض القياسية، يمتص الوجه الأمامي للعينة الطاقة الكلية. ثم تنتقل الموجة الحرارية عبر سمك العينة قبل أن تصل إلى الوجه الخلفي (الشكل 1). بالنسبة للمواد المسامية، قدمت NETZSCH الآن نموذج الاختراق (الشكل 2) الذي يتضمن الاعتبارات التالية:
- لم يعد امتصاص طاقة النبضة مقتصرًا على الوجه الأمامي
- يمتد الامتصاص على طبقة رقيقة في سمك العينة
- يمكن التعامل مع طبقات الامتصاص كمتوسط المسار الحر في المادة
ينتج عن أخذ هذه الجوانب في الاعتبار توزيع درجة الحرارة الأولية المتناقصة أسيًا داخل العينة. ويؤدي تطبيق هذا النهج، الذي يأخذ في الحسبان مسامية المادة، إلى تحسين دقة ودقة قيم الانتشار الحراري والتوصيل الحراري والسعة الحرارية النوعية المحددة.
شروط القياس
تم قياس عازل من لباد الجرافيت بين درجة حرارة الغرفة و90 درجة مئوية باستخدام جهاز قياس التدفق الحراري NETZSCH LFA 427، ولأغراض المقارنة، باستخدام مقياس التدفق الحراري HFM 436 Lambda من NETZSCH. بلغت سماكة العينة 5.4 مم و20 مم على التوالي. تم تحديد الكثافة لتكون 0.082 جم/سم3 عند درجة حرارة 20 درجة مئوية.
نتائج القياس
يصور الشكل 3: أ) نتائج قياس LFA التي توضح مسار الانتشار الحراري المرصود بناءً على نموذج الاختراق، ب) بيانات الأدبيات الخاصة بالسعة الحرارية النوعية لجرافيت POCO، ج) الموصلية الحرارية المحسوبة بناءً على المعادلة
λ = а - ρ - cp
مع
λ = الموصلية الحرارية
α α = الموصلية الحرارية
ρ = الكثافة
cp = السعة الحرارية النوعية
تم تقييم قياس LFA أولاً باستخدام النموذج القياسي (Cowan، [3]) ومرة ثانية باستخدام نموذج الاختراق. يوضح الشكل 4 بوضوح أن القياس نفسه ينتج عنه نتائج توصيل حراري مختلفة عند استخدام نماذج حسابية مختلفة. يمكن الإجابة على السؤال عن النتيجة الأفضل من خلال التحقق من زيادة الإشارة (الشكل 5).
يوضح الشكل 5 ارتفاع إشارة الكاشف. يصور الرسم الأيسر استخدام النموذج القياسي. وهو يشير بوضوح إلى أن النموذج القياسي ينتج عنه عدم ملاءمة النموذج بشكل كافٍ. في هذه الحالة، يتم تحديد الانتشار الحراري على أنه 0.753 مم2/ث- وهي قيمة عالية جدًا بالنسبة للمادة التي تم فحصها. ومع ذلك، ينتج تناسب نموذجي ممتاز عند استخدام تناسب يعتمد على نموذج الاختراق (الرسم البياني الأيمن). تكون قيمة الانتشار الحراري الناتجة، a = 0.626 مم2/ثانية، أقل بنسبة 17% تقريبًا، وبفضل الملاءمة المحسّنة، تكون أكثر موثوقية بكثير من تلك التي تم تحقيقها باستخدام نموذج كوان القياسي.
تتناسب الموصلية الحرارية مع الانتشار الحراري وبالتالي تكون القيم أعلى بالنسبة للمواد القياسية أيضًا. تم تأكيد موثوقية النتائج التي تم الحصول عليها باستخدام نموذج الاختراق من خلال قياسات HFM على نفس المادة. تتفق نتائج LFA و HFM بشكل جيد؛ الحد الأقصى للانحراف أقل من ±6% (الشكل 6).
الخاتمة
إلى جانب النماذج الكلاسيكية المختلفة (على سبيل المثال، كوان 5/10، وباركر، وكيب ليمان المحسّن، إلخ)، يتضمن برنامج NETZSCH LFA Proteus® العديد من النماذج الحسابية والتصحيحات والعمليات الرياضية المختلفة. أحد هذه النماذج هو نموذج الاختراق، وهو مناسب بشكل خاص للمواد المسامية والمواد ذات السطح الخشن. تتضمن هذه الميزة الخاصة في برنامج LFA Proteus® تغلغل وميض الضوء في العينة خارج السطح المسخن الفعلي. وهي تأخذ في الحسبان مسامية العينة، مما يؤدي إلى ترسب جزء من طاقة الوميض الضوئي داخل العينة. وهذا يعني أن نموذج الاختراق يأخذ في الحسبان امتصاص طاقة النبضة على طبقة رقيقة في سمك العينة. تؤكد الطرق الموثوقة الأخرى مثل مقياس التدفق الحراري (HFM) نتائج LFA التي تم الحصول عليها من خلال تطبيق نموذج الاختراق لحساب الانتشار الحراري/التوصيل الحراري.