Въведение
Благодарение на отличните си магнитни и термофизични свойства чистото желязо често се използва в електромагнитни компоненти, където ефективният пренос на топлина е от съществено значение. Примери за това са сърцевините на трансформатори, електродвигатели, индукционни бобини и компоненти в силовата електроника, където се наблюдават както магнитни, така и термични натоварвания. Ето защо точното разбиране на топлинните свойства в широк температурен диапазон е от съществено значение за надеждното проектиране на компонентите и точното симулиране на експлоатационното им поведение в реални условия.
Познаването на топлопроводимостта е от решаващо значение, тъй като тя определя в значителна степен колко ефективно се пренася топлината в даден материал. В приложенията, включващи чисто желязо, особено в електромагнитните компоненти, тя оказва пряко влияние върху разпределението на температурата, разсейването на топлината и по този начин върху експлоатационната безопасност и експлоатационния живот на компонентите. Недостатъчното разсейване на топлината може да доведе до локално прегряване, намалена ефективност или дори повреда. Ето защо точното разбиране на топлопроводимостта е от съществено значение за топлинното проектиране, оптимизацията и симулацията на промишлени системи.
Метод и условия на измерване
Лазерният светкавичен анализ (LFA, вж. фигура 1) се използва главно за определяне на топлинната дифузия (α) на даден материал. В комбинация с плътността (ρ) и специфичния топлинен капацитет (Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp) може да се изчисли коефициентът на топлопроводност (λ) (λ = α - Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp - ρ).
По време на измерването долната част на пробата се нагрява с кратък лазерен импулс. Повишението на температурата на противоположната страна се отчита с помощта на инфрачервен детектор. След това може да се определи топлинната дифузия на материала въз основа на този температурен профил във времето и съответните математически модели.
С помощта на специален сапфирен държач за проби от разтопени метали (вж. фигура 2), термичната дифузия на проба от чисто желязо се измерва непрекъснато с LFA 707 StratoFlash® Classic , докато тя преминава от твърдо в течно състояние.
Специфичният топлинен капацитет (Специфичен топлинен капацитет (cp)Топлинният капацитет е физична величина, специфична за материала, която се определя от количеството топлина, подадено на образеца, разделено на полученото увеличение на температурата. Специфичният топлинен капацитет се отнася за единица маса на образеца.cp) е определен в температурния диапазон от стайна температура до 1600°C с помощта на DSC 500 Pegasus®, оборудван с родиева пещ. Условията на измерване са подробно описани в таблица 1.
Таблица 1: Условия за измерване на LFA
| Температурен диапазон | RT - 1600°C |
| Държач на пробата | Сапфир за разтопени метали |
| Размер на пробата | Ø 1,39 mm; дебелина ~ 1,4 mm; плоскопаралелни повърхности |
| Покритие | Графит |
| Специфичен топлинен капацитет | С помощта на DSC 500 Pegasus® |
| Атмосфера | Ar |
| Скорост на нагряване | Променлива 10 до 20 K/min |
| Енергия | 650 V; 600 μs |
Резултати и обсъждане
На фигура 3 е показано типичното поведение на чистото желязо, включително прехода на Кюри (≈770°C). Както термичната дифузия (червената крива), така и специфичният топлинен капацитет (черната крива) показват отчетливи промени в този момент, съответно с локален минимум и максимум. По този начин преходът на Кюри може ясно да се види в топлинната дифузия и специфичния топлинен капацитет, докато топлопроводимостта (синята крива) не показва ефект в тази област. В диапазона на топене над 1525 °C топлинната дифузия и топлопроводимостта значително намаляват, тъй като структурата на решетката се разрушава и преносът на топлина чрез фонони вече не се осъществява.
Резюме
От твърдо към течно състояние: С помощта на LFA 707 StratoFlash® Classic , оборудван със специален сапфирен държач за проби, металите могат да се характеризират непрекъснато чак до стопилката. Получените данни дават ценна представа за температурнозависимото поведение на топлопроводимостта, формирайки надеждна основа за симулация, избор на материали и оптимизация на компоненти, дори при екстремни условия на работа.