مقدمة
تزداد أهمية النماذج البرمجية التي تأخذ في الاعتبار تأثير شكل وسطح العينات من أجل التحديد الدقيق للخصائص الفيزيائية الحرارية (TPP) مثل الانتشار الحراري (a) والتوصيل الحراري (λ) والسعة الحرارية النوعية (cp). لهذا السبب، التزمت NETZSCH في السنوات الأخيرة بالتحسين المستمر لنماذج تحليل وميض الليزر (LFA) الحالية وتطوير نماذج حسابية وتصحيحات وعمليات رياضية جديدة 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 [1]. وهو مناسب للقياسات على المواد ذات الأسطح الخشنة وعلى المواد المسامية للغاية.
المواد المسامية تمثل تحديًا - ولكن ليس بالنسبة لنموذج الاختراق
في قياسات 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 مراعاة هذه الجوانب توزيع درجة الحرارة الأولية المتناقصة أسيًا داخل العينة. يؤدي تطبيق هذا النهج، الذي يأخذ في الاعتبار مسامية المادة، إلى تحسين دقة ودقة قيم الانتشار الحراري والتوصيل الحراري والسعة الحرارية النوعية المحددة.
شروط القياس
لاختبار مدى ملاءمة نموذج الاختراق، تم قياس اثنين من البوليمرات المملوءة المصنوعة من نفس النوع ولكن بأشكال مختلفة. تم إجراء قياس واحد على عينة ذات سطح مغطى بثقوب قطرها 0.5 مم. ولأغراض المقارنة، تم إجراء قياس ثانٍ على العينة الأصلية ذات السطح الأملس (الشكل 3). تم تحديد الانتشار الحراري على عينة بأبعاد 12.7 مم في السمك و1.96 مم في القطر عند درجة حرارة الغرفة.
نتائج القياس
يصور الشكلان 4 و5 القياس على العينة ذات الآبار. في الشكل 4، يتم الحصول على ملاءمة النموذج لإشارة ارتفاع الكاشف (المنحنى الأحمر) باستخدام النموذج القياسي من قبل كوان [2]. تشير الدائرة الخضراء إلى منطقة الانحرافات بين الملاءمة ومنحنى القياس (الأزرق). باستخدام هذه الملاءمة النموذجية - غير الكافية بوضوح - يتم حساب الانتشار الحراري عند 0.753 مم2/ث. أما الحساب المستند إلى نموذج الاختراق فينتج عنه انتشار حراري بمقدار 0.626 مم2/ثانية، وهو ما يقل بنسبة 17% تقريبًا من حيث القيمة (الشكل 5).
ويوضح الشكل 6 ارتفاع إشارة الكاشف من القياس على قرص البوليمر المملوء الأصلي ذي السطح الأملس. ينتج عن استخدام نموذج كوان القياسي هنا لتحديد الانتشار الحراري نفس نتائج القياس تقريبًا التي تم الحصول عليها باستخدام نموذج الاختراق للعينة ذات الثقوب (الشكل 5). يصل الانحراف إلى 3% تقريبًا. وهذا يثبت أن حساب الانتشار الحراري بناءً على نموذج الاختراق يعطي نتائج صحيحة.
الخاتمة
إلى جانب النماذج الكلاسيكية المختلفة (على سبيل المثال، كوان 5/10، باركر، كيب ليمان المحسن، إلخ)، يتضمن برنامج NETZSCH LFA Proteus® العديد من النماذج الحسابية والتصحيحات والعمليات الرياضية المختلفة. نموذج الاختراق 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. وهو يأخذ في الحسبان مسامية العينة التي تتسبب في ترسب جزء كبير من طاقة الوميض الضوئي داخل العينة. وهذا يعني أن نموذج الاختراق يأخذ في الاعتبار امتصاص طاقة النبضة على طبقة رقيقة في سمك العينة. تؤكد القياسات التي أجريت على عينات من نفس العينة ولكن ببنية سطحية مختلفة جدًا (ملساء مقابل مسامية)، صحة نموذج الاختراق.