مقدمة
تُعد الحراريات ضرورية للعمليات ذات درجات الحرارة العالية لأنها تحمي المعدات المستخدمة في الصلب والزجاج والسيراميك والأسمنت والهندسة الكيميائية وهندسة الطاقة من درجات الحرارة القصوى والمواد العدوانية والإجهاد الميكانيكي. وتستخدم، على سبيل المثال، كبطانات في الأفران والمفاعلات وخزانات الصهر. ومن خصائص المواد الرئيسية في هذا السياق خاصية التوصيل الحراري. فهي تحدد بشكل كبير مقدار الحرارة المنقولة إلى البيئة المحيطة، مما يؤثر بشكل مباشر على كفاءة الطاقة في العملية. وعلاوة على ذلك، فإن الموصلية الحرارية لها تأثير كبير على الضغوط الحرارية وبالتالي على عمر خدمة المواد.
الحراريات عبارة عن مواد غير متجانسة تتكون من مصفوفة ذات جسيمات مدمجة. عند تحديد الخواص الفيزيائية الحرارية مثل الموصلية الحرارية، ينطبق ما يلي: كلما كانت العينة أكبر، كلما كانت أكثر تمثيلاً.
يمثل تحديد الموصلية الحرارية للمواد المقاومة للحرارة تحديًا للعديد من أنظمة القياس. ويرجع ذلك إلى عاملين: درجات الحرارة المرتفعة نسبيًا، التي تتجاوز عادةً 1000 درجة مئوية، وعدم تجانس المواد.
شروط الطريقة والقياسات
يمكن لجهاز LFA 707 StratoFlash®Classic تحليل العينات التي يصل قطرها إلى 25.4 مم، حتى في درجات الحرارة العالية. وتحدد طريقة LFA في المقام الأول الانتشار الحراري (α)، وإلى جانب الكثافة (ρ) والسعة الحرارية النوعية (cp)، يتم حساب الموصلية الحرارية (λ) باستخدام المعادلة التالية:
λ = α - cp - ρρ
في طريقة LFA، يتم تسخين السطح الأمامي للعينة باستخدام نبضة طاقة قصيرة من الليزر. ثم يتم اكتشاف الزيادة في درجة الحرارة على الجزء الخلفي من العينة بواسطة كاشف الأشعة تحت الحمراء (IR). ثم تُستخدم النماذج الرياضية لحساب التوصيلية الحرارية بناءً على هذه الزيادة في درجة الحرارة.
يمكن أيضًا تحديد السعة الحرارية النوعية عند تحليل العينة إلى جانب عينة مرجعية. والطريقة الأكثر شيوعًا لتحديد السعة الحرارية النوعية عند درجات الحرارة العالية هي قياس المسعر بالمسح التفاضلي (DSC). ومع ذلك، فإن أحجام العينات النموذجية، التي يبلغ قطرها 5 مم وسمكها 1 مم، لا تمثل الحراريات.
باستخدام عينات large من LFA 707 StratoFlash®Classic ، بأقطار 25.4 مم، لا يمكن تحديد الانتشار الحراري فحسب، بل أيضًا السعة الحرارية النوعية على عينة تمثيلية باستخدام الطريقة المقارنة وفقًا للمواصفة ASTM E 1461.
شروط القياس مفصلة في الجدول 1.
الجدول 1: شروط القياس
| المادة | 2 من المواد الحرارية على أساس MgO- وAl2O2-(السماكة: 3 مم تقريبًا) |
| حامل العينة | قطر 25.4 مم، جرافيت |
| برنامج درجة الحرارة | RT - 1400 درجة مئوية مع 2 تسخين |
| حجم العينة | يتوافق مع المادة، عينة واحدة بقطر 25.4 مم وسُمك 3 مم تقريبًا، بأوجه متوازية مستوية |
| الطلاء | الجرافيت |
| مرجع لـ cp | الجرافيت POCO |
| الغلاف الجوي | ع |
| معدل التسخين | متغير حتى 20 كلفن/دقيقة |
| الطاقة | 600 فولت، 600 ميكروثانية |
النتائج والمناقشة
ويوضح الشكل 1 السعة الحرارية النوعية لمادتين حراريتين (MgO- وAl2O3) عند درجات حرارة تتراوح بين درجة حرارة الغرفة و1400 درجة مئوية. وكما هو متوقع، تزداد السعة الحرارية النوعية مع ارتفاع درجات الحرارة. لا يوجد فرق كبير واضح بين دورتي التسخين الأولى والثانية (في حدود ± 5%). وهذا يسلط الضوء على الاستقرار الكيميائي للعينة (لا يوجد تحلل و/أو انبعاث غازات عبر نطاق درجات الحرارة).
يوضح الشكل 2 الموصلية الحرارية للمادتين محسوبة باستخدام المعادلة المذكورة أعلاه. وعلى النقيض من السعة الحرارية النوعية، تظهر اختلافات واضحة بين دورتي التسخين الأولى والثانية. ومن المحتمل أن تكون هذه الاختلافات ناتجة عن التغيرات الهيكلية داخل العينة (على سبيل المثال، انتقالات الطور الصلب إلى الصلب و/أو تكوين شقوق دقيقة).
الملخص
يعتبر جهاز LFA 707 StratoFlash®Classic مثاليًا لتحديد التوصيل الحراري للمواد غير المتجانسة مثل المواد الحرارية بسبب نطاق درجة الحرارة الذي يصل إلى 1600 درجة مئوية وقدرته على استيعاب large عينات يصل قطرها إلى 25.4 مم. يمكن للجهاز أيضًا تحديد السعة الحرارية النوعية بشكل تمثيلي. وتُعد الموصلية الحرارية الناتجة ضرورية لتصميم وتغيير حجم المعدات للعمليات ذات درجات الحرارة العالية.