مقدمة
بالنسبة لقياسات LFA، يلزم وجود سُمك عينة محدد. يتناسب الانتشار الحراري (a) مع مربع سُمك العينة (d): a ~ d². وهذا يتطلب دقة عالية للحصول على قيمة السماكة الدقيقة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يكون التدفق الحراري عبر جدران الحاوية الخارجية في الاتجاه المحوري أمرًا بالغ الأهمية لحاملات العينات للسوائل. علاوة على ذلك، يمكن أن تؤدي القياسات على ذوبان المعادن إلى تدمير حامل العينة. ومن أجل معالجة هذه المشكلات الحرجة، تم تطوير حامل عينة جديد مخصص "للمعادن السائلة"* (الشكل 1). ويسمح التصميم الخاص، مع بعض الأجزاء المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ أو SiC والأجزاء الداخلية المصنوعة من الياقوت، بإجراء قياسات بإشارات ممتازة لكاشف الأشعة تحت الحمراء وبالتالي دقة عالية. يتم وضع المعدن في بوتقة من الياقوت يتم إغلاقها بغطاء من الياقوت في الأعلى. تتحقق سماكة العينة المحددة في الذوبان عن طريق وضع كتلة إضافية أعلى غطاء الياقوت. وهذا يضمن مرونة وضع الغطاء من حيث الارتفاع ويمنع حدوث أي تلف لجزء الياقوت الناتج عن التمدد الحراري المحوري للمعدن.
*في هذا السياق، يشير مصطلح "المعادن السائلة" إلى حاملات العينات التي تسهل القياسات عند درجات حرارة تتجاوز درجة انصهار المعادن.
شروط الاختبار
- الخامة: سبائك الألومنيوم
- الأدوات LFA 467 HT HyperFlash /DSC 404 F1 Pegaus
- نطاق درجة الحرارة: 450 درجة مئوية ← 750 درجة مئوية ← 750 درجة مئوية ← 450 درجة مئوية
- حامل العينة: للسوائل والمعادن؛ مصنوع من الياقوت؛ في إصدار SiC، الفولاذ المقاوم للصدأ (حتى 750 درجة مئوية) وإصدار SiC (حتى 1250 درجة مئوية)
- نطاق درجة الحرارة: 450 درجة مئوية ← 750 درجة مئوية ← 750 درجة مئوية ← 450 درجة مئوية
- سُمك العينة: 1.5 مم
- تحضير سطح العينة: طلاء الجرافيت الرقيق
نتائج القياس
تم التحقق من مدى ملاءمة حامل العينة الجديد للسوائل بالاقتران مع LFA 467 HT عن طريق سلسلة من القياسات على سبيكة ألومنيوم. قبل اختبار LFA، أُجريت قياسات DSC إضافية قبل اختبار LFA. يوضح الشكل 2 انتقال الطور أثناء التسخين والتبريد في DSC. أثناء التسخين (المنحنى الأسود)، يبدأ ذوبان السبيكة متعدد الخطوات عند 558 درجة مئوية (درجة حرارة البداية، درجة حرارة التصلب) مع درجات حرارة قصوى عند 569 درجة مئوية و600 درجة مئوية. وتنتهي الخطوة الأخيرة عند 623 درجة مئوية (درجة حرارة السائل). يمكن رؤية تأثير تبريد فرعي طفيف في دورة التبريد (الخط الأخضر المتقطع). وتبدأ عملية التبلور بين 610 درجة مئوية و600 درجة مئوية، أي أقل من درجة حرارة السائل المحددة أثناء التسخين بحوالي 10-15 كلفن. تنتهي عملية التبلور عند 535 درجة مئوية.
يظهر في الشكل 3 الانتشار الحراري لسبائك الألومنيوم أثناء التسخين والتبريد (قياسات LFA). تتفق القيم أثناء الذوبان والتبلور بشكل جيد للغاية، مما يشير إلى أن كاشف الأشعة تحت الحمراء يتمتع بثبات ممتاز للإشارة وأن الظروف مستقرة داخل وخارج التحولات الطورية (على سبيل المثال، سمك ثابت للفيلم المعدني السائل/الصلب). يتم الكشف عن درجة حرارة الصلابة بين 550 درجة مئوية و575 درجة مئوية (بالمقارنة، DSC: 558 درجة مئوية) ودرجة حرارة السائل بين 600 درجة مئوية و625 درجة مئوية (بالمقارنة، DSC: 623 درجة مئوية). يوضح الاتفاق الجيد بين الجهازين المستقلين دقة درجة الحرارة العالية لجهاز LFA 467 HT.
يعتمد حساب الموصلية الحرارية λ(T) على المعادلة التالية:
λ(T) = ρ(T) - cp(T) - α(T)
حيث
ρ = الكثافة
= الكثافة α α = الانتشار الحراري
cp = السعة الحرارية النوعية
يمكن تحديد الكثافة، ρ، عند درجة حرارة الغرفة بالحجم والكتلة. وللحصول على نتائج دقيقة، يمكن استخدام مقياس التمدد الحراري وتغير الكثافة اعتمادًا على درجة الحرارة. وتحتوي منحنيات cp*(T) المقيسة/المحسوبة في منحنيات DSC المقيسة/المحسوبة على مساهمة إنثالبي تغير الطور Δhphase ويمكن وصفها على النحو التالي
cp* dT = cp dT + dhphase
من أجل الحصول على السعة الحرارية النوعية "الحقيقية" cp(T) اللازمة لحساب التوصيل الحراري، يجب طرح إنثالبي التغير الطوري:
cp dT = cp* dT - dhphase
يتم ذلك عادةً عن طريق الاستيفاء الخطي على نطاق الانتقال الطوري.
ويعرض الشكل 4 الخواص الفيزيائية الحرارية لسبائك الألومنيوم بما في ذلك الموصلية الحرارية المحسوبة لانتقال الطور الصلب إلى السائل.
الملخص
NETZSCH طور حامل عينات جديد "للمعادن السائلة"* لجهاز LFA 467 HT HyperFlash® الذي يمكن تسليمه في نسختين يمكن استخدامهما حتى 750 درجة مئوية و1250 درجة مئوية على التوالي. تُظهر القياسات على سبيكة الألومنيوم السائل بوضوح قابلية الاستنساخ العالية للنتائج أثناء التسخين (الذوبان) والتبريد (التبلور). يضمن التصميم الخاص لحامل العينة ثبات سمك العينة أثناء الذوبان. وفي الوقت نفسه، يمنع الضغط الميكانيكي على أجزاء الياقوت الناتجة عن التمدد الحراري. وبفضل ثبات الإشارة الممتاز، تم تحقيق دقة عالية مع تشتت منخفض. علاوة على ذلك، تم الحصول على اتفاق جيد مع نتائج DSC وكانت جميع درجات حرارة الانتقال الطوري المكتشفة في النطاق المتوقع.
*في هذا السياق، يشير مصطلح "المعادن السائلة" إلى حاملات العينات التي تسهل القياسات عند درجات حرارة تتجاوز درجة انصهار المعادن.