مقدمة
تُعد سبائك النيوديميوم مواد أساسية في التطبيقات الحديثة عالية الأداء. وعلى وجه الخصوص، تُستخدم كأساس للمغناطيسات الدائمة عالية الأداء في المحركات الكهربائية والمولدات وتوربينات الرياح وأجهزة الاستشعار ومحركات الأقراص الصلبة. وإلى جانب الخصائص المغناطيسية، تلعب الخصائص الفيزيائية الحرارية لسبائك النيوديميوم أيضًا دورًا حاسمًا. عند كثافات الطاقة العالية وارتفاع درجات حرارة التشغيل، يكون للانتشار الحراري والسعة الحرارية النوعية والتوصيل الحراري تأثير كبير على السلوك الحراري للمادة. وتعد هذه الخصائص أساسية لإدارة حرارية فعالة، وتجنب ارتفاع درجة الحرارة الموضعي، وضمان استقرار المادة ووظائفها على المدى الطويل.
وتكتسب معرفة الانتشار الحراري أهمية خاصة في هذا السياق، حيث إنها تصف مدى سرعة انتشار التغير في درجة الحرارة داخل المادة. وبالاقتران مع الكثافة والسعة الحرارية النوعية، يمكن تحديد الموصلية الحرارية انطلاقًا من ذلك – وهي معلمة أساسية لتصميم المكونات المعرضة للأحمال الحرارية.
الطريقة وشروط القياس
تم تحديد الخصائص الفيزيائية الحرارية لسبائك النيوديميوم باستخدام LFA 717 HyperFlash® HT. ويُعد تحليل وميض الليزر إحدى أكثر الطرق رسوخًا لقياس الموصلية الحرارية، ويتميز بدقة عالية ووقت قياس قصير. أثناء القياس، يتم تحفيز السطح الأمامي للعينة بنبضة طاقة قصيرة، ويتم تسجيل الزيادة الناتجة في درجة الحرارة على السطح الخلفي دون ملامسة كاشف الأشعة تحت الحمراء. وبناءً على ملاءمة منحنى رياضي، يتم تحديد الانتشار الحراري من الإشارة المقاسة.
بالإضافة إلى الانتشار الحراري، تم أيضًا تحديد السعة الحرارية النوعية بواسطة تحليل وميض الليزر (LFA) وفقًا لطريقة المقارنة. ولهذا الغرض، تم استخدام معيار نحاسي ذي خصائص فيزيائية حرارية معروفة. وبناءً على الانتشار الحراري والسعة الحرارية النوعية والكثافة، تم بعد ذلك حساب الموصلية الحرارية. ويمكن الاطلاع على ظروف القياس الدقيقة في الجدول 1.
الجدول 1: شروط القياس
| المادة | سبائك النيوديميوم |
| حامل العينة | قطر 8 مم، SiC |
| برنامج درجة الحرارة | من درجة حرارة الغرفة إلى 800 درجة مئوية؛ بفواصل زمنية قدرها 50 كلفن |
| أبعاد العينة | قطر 8 مم، السماكة: 2.8 مم |
| الطلاء | الجرافيت |
| مرجع لـcp | نحاس نقي |
| البيئة | الأرجون |
| معدل التسخين | 10 كلفن/دقيقة |
| طاقة النبضة | 250 فولت / 600 ميكروثانية |
النتائج والمناقشة
يوضح الشكل 1 معامل الانتشار الحراري، والسعة الحرارية النوعية، والموصلية الحرارية لسبائك النيوديميوم قيد الدراسة في نطاق درجات الحرارة من درجة حرارة الغرفة إلى 800 درجة مئوية. ومع ارتفاع درجة الحرارة، تميل جميع الخصائص الفيزيائية الحرارية إلى الزيادة. ومع ذلك، في النطاق الذي يتراوح بين حوالي 300 درجة مئوية و350 درجة مئوية، تظهر السعة الحرارية النوعية قيمة قصوى واضحة، بينما تشكل الانتشارية الحرارية في الوقت نفسه قيمة دنيا محلية. ويشير هذا السلوك المترابط إلى حدوث انتقال مرتبط بتحول كوري للسبائك.
وكلا الخاصيتين حساستان للتغيرات الهيكلية أو المغناطيسية في المادة، وتسمحان بالتحديد الواضح للنطاق الحراري ذي الصلة.
إلا أن الموصلية الحرارية المحسوبة لا تُظهر ذروة انتقالية واضحة، بل تزداد بشكل شبه مستمر على مدى نطاق القياس بأكمله. ويعزى هذا السلوك إلى حقيقة أن التأثيرات المتعارضة لزيادة السعة الحرارية النوعية وانخفاض الانتشار الحراري تعوض بعضها البعض إلى حد كبير عند حساب الموصلية الحرارية. وبالتالي، فإن تأثير الانتقال يكون أقل وضوحًا بكثير في الموصلية الحرارية مقارنةً بالمعلمات الفردية المقاسة مباشرةً.
وتُظهر النتائج أنه من خلال التحديد المشترك للانتشار الحراري والسعة الحرارية النوعية باستخدام تقنية LFA، يمكن تقييم السلوك الفيزيائي الحراري للمواد بدقة أكبر. وعلى وجه الخصوص، يمكن الكشف عن الحالات الشاذة المرتبطة بدرجة الحرارة، مثل تلك التي قد تحدث بالقرب من تحول كوري، وتفسيرها بشكل موثوق استنادًا إلى المعلمات الفردية.
ملخص
إن LFA 717 HyperFlash® HT يتيح تحديد الخصائص الحرارية بدقة عند درجات الحرارة العالية، لا سيما من خلال طريقة وميض الليزر غير التلامسية لتحديد الانتشار الحراري. وبالاقتران مع العينات المرجعية و Density Determination ، يمكن أيضًا تحديد السعة الحرارية النوعية والتوصيل الحراري بشكل موثوق.