مقدمة
كان الموليبدينوم متاحًا كمعيار حراري محدد من المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا [1] لعدة عقود، على الرغم من عدم توفر الكثير من المعلومات عن الخصائص مثل التمدد الحراري والانتشار الحراري والتوصيل الحراري. وفقًا للأدبيات [1، 2، 3، 4]، يجب ألا يُظهر الموليبدينوم النقي أي تغيرات في الطور حتى نقطة الانصهار. ومع ذلك، فإن هذا أمر بالغ الأهمية لأنه حساس للأكسجين في درجات الحرارة المرتفعة. ونظرًا لارتفاع ضغط بخار أكاسيد الموليبدينوم، لا تتغير خواص المادة عمومًا بسبب أكسدة السطح. تتبخر الأكاسيد المتكونة ببساطة من السطح. كل هذه الخصائص الخاصة للموليبدينوم تجعل منه مادة معقولة لمادة قياسية متعددة الخصائص.
تجريبي
تم إجراء قياس الخصائص الفيزيائية الحرارية المختلفة مثل التمدد الحراري وتغير الكثافة والحرارة النوعية والانتشار الحراري على مادة الموليبدينوم النقية (99.99%). استُخدم قياس التمدد الحراري بالدفع (DIL) لقياس التمدد الحراري وتحديد التغير في الكثافة. استُخدم قياس المسعر بالمسح التفاضلي (DSC) لقياس الحرارة النوعية. تم تحديد الانتشار الحراري باستخدام تقنية وميض الليزر (LFA). تتيح نتائج الاختبار رؤية مفصلة لسلوك المادة تحت المعالجة الحرارية، كما أمكن تحديد الموصلية الحرارية. تم إجراء مقارنة لجميع نتائج الاختبار مع بيانات الأدبيات المتاحة.
تم إجراء الاختبارات على عينات مختلفة تم تحضيرها من الكتلة الأصلية وقياسها بين -125 درجة مئوية و1400 درجة مئوية. ولذلك، كان من الممكن تقييم هذه المادة كمرشح محتمل لمادة قياسية لمختلف الخواص الفيزيائية الحرارية على نطاق واسع من درجات الحرارة.
تم توريد الموليبدينوم النقي (99.99%) من شركة Plansee SE، روتي، النمسا. تم استخدام كتلة كبيرة قطرها 30 مم وطولها 120 مم للتحليل. من كتلة الأسطوانة، تم إعداد عينات مختلفة لتقنيات الاختبار المختلفة. لكل طريقة قياس، تم تحضير عينتين واختبارهما مرتين إلى ثلاث مرات. تم التحقق من الثبات الحراري وتجانس المادة وتم تحديد قابلية تكرار نتائج الاختبار.
نتائج الاختبار
وترد في الشكل 1 نتائج التمدد الحراري المقيسة لعينتي الموليبدينوم المختلفتين اللتين تم قياسهما مرتين. إن تشتت البيانات بين العينات والتجارب المختلفة بشكل عام في حدود ± 1.5%. وبالنظر إلى دقة وتكرار الأداة المستخدمة، وتأثيرات التأثيرات السطحية وتأثير تبخر الأكاسيد، فإن تشتت البيانات يكون في نطاق مقبول. لا تعطي النتائج أي مؤشر على عدم تجانس المواد أو تغيرات في قيم التمدد الحراري بين عمليات التسخين المختلفة.
يظهر في الشكل 2 التمدد الحجمي وتغير كثافة الموليبدينوم مقابل درجة الحرارة. وقد تم تحديد التمدد الحجمي من التمدد الحراري المقاس بافتراض سلوك متساوي الخواص للمادة، وبالتالي نفس سلوك التمدد في جميع الاتجاهات. استند حساب الكثافة إلى التمدد الحجمي والكثافة السائبة في درجة حرارة الغرفة البالغة 10.216 جم.سم-3. تم تحديد الكثافة السائبة في درجة حرارة الغرفة من كتلة العينة الموردة في الأصل عن طريق قياس الكتلة والحجم.
يوضح الشكل 3 قيم الحرارة النوعية المقيسة بمقياس المسعر بالمسح التفاضلي. ومرة أخرى، تم قياس كلتا العينتين مرتين في فرن الفولاذ بدرجة حرارة منخفضة (-125 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية) وفي فرن البلاتين بدرجة حرارة عالية (300 درجة مئوية إلى 1275 درجة مئوية). وكان الانحراف بين النتائج الفردية في حدود ± 2.0%، وبالتالي كان الانحراف بين النتائج الفردية في حدود ± 2.0% وبالتالي كان إلى حد بعيد ضمن عدم اليقين المعلن للأداة المستخدمة في الاختبارات. تُظهر القيم زيادة قوية مقابل درجة الحرارة في نطاق درجات الحرارة المنخفضة. يمكن توقع هذا السلوك وفقًا لنظرية ديبي المعروفة [5]. في درجات الحرارة المرتفعة، تزداد القيم بشكل خطي تقريبًا. وهذا يتفق تمامًا مع فيزياء الحالة الصلبة (قاعدة دولونج وبيتيه، [5]). لم يتم الكشف عن أي انتقال متداخل أو تأثيرات حرارية أخرى ضمن نطاق درجات الحرارة هذه، مما يشير بوضوح إلى عدم حدوث أي تغير طوري في المادة بين -125 درجة مئوية و1275 درجة مئوية. يستوفي هذا الشرط كمادة قياسية حيث لا تحدث أي تغيرات هيكلية في نطاق درجة الحرارة محل الاهتمام.
يوضح الشكل 4 نتائج قياس الانتشار الحراري التي تم جمعها من أجهزة الوميض المختلفة المستخدمة في الاختبارات. يمكن أن نرى بوضوح أن الانتشار الحراري يتناقص مقابل درجة الحرارة. ويتبع الانخفاض سلوك T-1 تحت 600 درجة مئوية مما يؤدي إلى انخفاض خطي تقريبًا في درجات الحرارة الأعلى. هذا السلوك نموذجي بالنسبة للمواد الموصلة للفون في الغالب مثل السيراميك أو مواد الجرافيت. لذلك، قد تكون مساهمة الإلكترون في انتقال الحرارة صغيرة بالنسبة لهذه المادة المعدنية. ينتج تشتت نتائج القياس من عملية قياس إلى أخرى ومن عينة إلى أخرى ويكون عمومًا في حدود ± 2٪. فقط عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية، تم الحصول على تشتت أعلى قليلاً (±3%). قد يكون التفسير المحتمل لذلك هو تبخر أكاسيد الموليبدينوم في نطاق درجة الحرارة هذا الذي يؤثر على انبعاثية العينات وبالتالي امتصاص ضوء الليزر وانبعاث ضوء الأشعة تحت الحمراء.
وترد في الشكل 5 نتائج التوصيل الحراري التي تم تحديدها بضرب الكثافة المقيسة والحرارة النوعية والانتشار الحراري. تم تحديد بيانات الكثافة تحت درجة حرارة الغرفة والحرارة النوعية فوق 1275 درجة مئوية عن طريق الاستقراء الخطي للبيانات المقاسة. يمكن ملاحظة أن الموصلية الحرارية تتبع الاعتماد على درجة حرارة الانتشار الحراري. كما تم إجراء مقارنة مع القيم الأدبية [6]. بافتراض دقة 5% من القيم الأدبية و3% من عدم اليقين في القيم المستندة إلى القياس، فإن النتائج متفقة بشكل جيد للغاية.
الخاتمة
تم قياس الخواص الفيزيائية الحرارية المختلفة (التمدد الحراري، وتغير الكثافة، والحرارة النوعية، والانتشار الحراري، والتوصيل الحراري) على الموليبدينوم عالي النقاء. أشارت المقارنة مع قيم الأدبيات إلى جودة نتائج القياس وموثوقية المادة. يمكن الافتراض من نتائج الاختبارات أن الموليبدينوم النقي قد يكون مرشحًا معقولاً لاستخدامه كمادة قياسية حتى درجات حرارة عالية أعلى من 1200 درجة مئوية. ويمكن استخدامه كمعيار معايرة لمختلف الخواص الفيزيائية الحرارية. سيكون من المستحسن إجراء المزيد من الاختبارات في مختلف المختبرات ومعاهد الاختبار المختلفة لإثبات قدرة المادة.