مقدمة
ونظرًا لخصائصه المغناطيسية والفيزيائية الحرارية الممتازة، كثيرًا ما يستخدم الحديد النقي في المكونات الكهرومغناطيسية حيث يكون نقل الحرارة بكفاءة أمرًا ضروريًا. وتشمل الأمثلة على ذلك نوى المحولات والمحركات الكهربائية والملفات الحثية والمكونات في إلكترونيات الطاقة، حيث تحدث الضغوط المغناطيسية والحرارية على حد سواء. ولذلك فإن الفهم الدقيق للخصائص الحرارية على نطاق واسع من درجات الحرارة أمر ضروري لتصميم المكونات بشكل موثوق ومحاكاة سلوكها التشغيلي بدقة في ظل ظروف العالم الحقيقي.
إن معرفة الموصلية الحرارية أمر بالغ الأهمية، حيث إنها تحدد بشكل كبير مدى كفاءة انتقال الحرارة داخل المادة. في التطبيقات التي تتضمن الحديد النقي، خاصةً في المكونات الكهرومغناطيسية، تؤثر بشكل مباشر على توزيع درجة الحرارة وتبديد الحرارة، وبالتالي على السلامة التشغيلية وعمر الخدمة للمكونات. يمكن أن يؤدي التبديد غير الكافي للحرارة إلى ارتفاع درجة الحرارة الموضعي أو انخفاض الكفاءة أو حتى الفشل. ولذلك، يعد الفهم الدقيق للتوصيل الحراري أمرًا ضروريًا للتصميم الحراري وتحسين ومحاكاة الأنظمة الصناعية.
الطريقة وشروط القياس
يُستخدم تحليل الوميض الليزري (LFA، انظر الشكل 1) في المقام الأول لتحديد الانتشار الحراري (α) للمادة. وعند دمجها مع الكثافة (ρ) والسعة الحرارية النوعية (cp)، يمكن حساب الموصلية الحرارية (λ = α - cp - ρ).
أثناء القياس، يتم تسخين الجزء السفلي من العينة بواسطة نبضة ليزر قصيرة. ويتم اكتشاف الزيادة الناتجة في درجة الحرارة على الجانب المقابل باستخدام كاشف الأشعة تحت الحمراء. يمكن بعد ذلك تحديد الانتشار الحراري للمادة بناءً على هذا المظهر الجانبي لدرجة الحرارة بمرور الوقت والنماذج الرياضية المقابلة.
وباستخدام حامل عينة خاص من الياقوت الأزرق للمعادن المنصهرة (انظر الشكل 2)، تم قياس الانتشار الحراري لعينة من الحديد النقي بشكل مستمر باستخدام LFA 707 StratoFlash® Classic أثناء انتقالها من الحالة الصلبة إلى الحالة السائلة.
تم تحديد السعة الحرارية النوعية (cp) في نطاق درجة الحرارة من درجة حرارة الغرفة إلى 1600 درجة مئوية باستخدام DSC 500 Pegasus® ، المزود بفرن الروديوم. شروط القياس مفصلة في الجدول 1.
الجدول 1: ظروف قياس LFA
| نطاق درجة الحرارة | درجة الحرارة - 1600 درجة مئوية |
| حامل العينة | ياقوت للمعادن المنصهرة |
| حجم العينة | Ø 1.39 مم؛ سمك ~ 1,4 مم; أسطح مستوية متوازية |
| الطلاء | الجرافيت |
| السعة الحرارية النوعية | بواسطة DSC 500 Pegasus® |
| الغلاف الجوي | الغلاف الجوي |
| معدل التسخين | متغير من 10 إلى 20 كلفن/دقيقة |
| الطاقة | 650 فولت، 600 ميكروثانية |
النتائج والمناقشة
يصور الشكل 3 السلوك النموذجي للحديد النقي، بما في ذلك انتقال كوري (≈770 درجة مئوية). تُظهر كل من الانتشارية الحرارية (المنحنى الأحمر) والسعة الحرارية النوعية (المنحنى الأسود) تغيرات واضحة عند هذه النقطة، مع حد أدنى وحد أقصى محلي على التوالي. وبالتالي، يمكن رؤية انتقال كوري بوضوح في الانتشار الحراري والسعة الحرارية النوعية، في حين أن الموصلية الحرارية (المنحنى الأزرق) لا تظهر أي تأثير في هذه المنطقة. في نطاق الذوبان فوق 1525 درجة مئوية، تنخفض الانتشارية الحرارية والتوصيلية الحرارية بشكل ملحوظ حيث تتفكك البنية الشبكية ولا يعود انتقال الحرارة عبر الفونونات يحدث.
الملخص
من الصلب إلى السائل: باستخدام جهاز LFA 707 StratoFlash® Classic ، المزود بحامل عينة خاص من الياقوت، يمكن توصيف المعادن باستمرار وصولاً إلى الذوبان. وتوفر البيانات الناتجة رؤى قيمة حول سلوك التوصيل الحراري المعتمد على درجة الحرارة، مما يشكل أساسًا موثوقًا للمحاكاة واختيار المواد وتحسين المكونات، حتى في ظل ظروف التشغيل القاسية.