Въведение
Техниката на Heat Flow Meter (HFM) е добре познат и приет метод за определяне на топлопроводимостта на изолационни материали като EPS, каменна вата или стъклофибърни плоскости. С HFM могат да се изследват и строителни материали като бетон с по-висока топлопроводимост и твърда структура. Комплектът инструменти разширява обхвата на измерване до 2 W/(m∙K). Тази бележка за приложение описва подробно комплекта за инструменти и представя данни, получени за Pyrex® с HFM 436/3/1 (фигура 1). Ефективността му е демонстрирана чрез съпоставяне на данните с техниката за анализ на лазерна светкавица (LFA, фигура 2).
Комплект инструменти
Когато се изпитват изолационни материали с техниката HFM, термичните съпротивления на интерфейса между образеца и плочите HFM обикновено са пренебрежимо малки в сравнение с термичното съпротивление на образеца. В случай на високопроводими и/или твърди образци това предположение вече не е валидно. Дори ако повърхностите на образеца са много плоски и плоскопаралелни, винаги остават някои small въздушни празнини на границата, което води до значителни разлики между температурите на повърхността на плочите и образеца и до нехомогенен топлинен поток през образеца. За да се избегнат тези недостатъци, е необходимо да се използва комплектът инструменти. Той се състои от две външни термодвойки и от два интерфейсни слоя (фигура 3). Интерфейсните слоеве подобряват топлинния контакт между пластините и образеца, докато външните термодвойки са в пряк контакт с повърхностите на образеца (фигура 4) и следователно измерват точните и "истински" температури на повърхността (фигура 5).
Сравнение на данни от измервания върху Pyrex® с помощта на HFM с комплект инструменти и техниката LFA
Работата на инструменталния комплект е демонстрирана с Pyrex®, хомогенен, химически стабилен и добре познат от 60-те години на миналия век референтен материал за топлопроводимост с топлопроводимост около 1,14 W/(m∙K) при 23°C [1].
Съобщените данни са извършени върху образци с размери 300 mm x 300 mm x 20 mm с и без комплект за инструменти. Калибрирането на сензорите за топлинен поток е постигнато със сертифицирана от NIST стъклофибърна платка (1450D) без комплект за инструменти, в съответствие с ASTM C 518. Бяха тествани три различни проби Pyrex (A, B, C) от една и съща партида. Два образеца (1, 2) с диаметър 12,7 mm и дебелина 2,5 mm също бяха подготвени от същата партида за LFA тестовете. Измерванията бяха извършени с LFA467 Hyperflash.
В таблица 1 са показани резултатите от различните HFM и LFA тестове при 23 °C. Стандартното отклонение small (1,7 %) на тестовете HFM показва добрата възпроизводимост на метода. Средната стойност на коефициента на топлопроводност от 1,15 W/(m∙K) показва отклонение от само 0,88 % спрямо средната стойност от LFA и литературата. Това доказва точността на измерванията на HFM с помощта на комплекта инструменти.
Таблица 1: Топлопроводимост на Pyrex® при 23°C с помощта на HFM и LFA
Метод | Проба/измерване | Топлинна проводимост W/(m∙K) | Средна топлопроводимост W/(m∙K) |
|---|---|---|---|
| HFM | Pyrex A | 1.13 | 1.15 |
| Pyrex B | 1.17 | ||
| Пирекс В | 1.14 | ||
| HFM | Pyrex без комплект инструменти | 0.53 | 0.53 |
| LFA | Pyrex - 1 | 1.14 | 1.14 |
| Pyrex - 2 | 1.14 |
Без комплекта за инструменти високото термично контактно съпротивление и неизвестните температури на повърхността водят до топлопроводимост от 0,53 W/(m∙K), което е значително по-ниско от очакваната стойност.
На фигура 6 са представени резултатите от 10°C до 65°C с HFM, LFA и литературните стойности (барове на грешката ± 5%). В целия температурен диапазон резултатите от HFM и LFA са в добро съответствие с литературните стойности (максимално отклонение 2,8% - LFA и 3,9% - HFM).
Резюме
Топлопроводимостта на твърди материали до 2 W/(m∙K) може да бъде надеждно изследвана с HFM, при условие че температурите на повърхността са точно измерени. Това се постига с инструменталния комплект, който осигурява хомогенен топлинен поток и реални температури на повърхността на образеца. Данните от измерванията на HFM с инструментариума са много възпроизводими и са в добро съответствие с резултатите от техниката LFA и литературата. Освен това дълготрайната стабилност определя Pyrex® като предпочитан материал за проверка на работата на HFM с инструментариума преди измерване на неизвестни образци с висока проводимост.