Въведение
Софтуерните модели, които отчитат влиянието на формата и повърхността на образците, стават все по-важни за прецизното определяне на термофизичните свойства (ТФС), като например термична дифузия (a), топлопроводност (λ) и специфичен 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). Поради тази причина през последните години NETZSCH се ангажира с непрекъснатото подобряване на съществуващите модели на LFA (анализ с лазерна светкавица) и с разработването на нови изчислителни модели, корекции и математически операции, отчитащи топлинните загуби в комбинация с импулсна корекция, радиация, многослойни системи, тестове в равнината, корекции на базовата линия и др.
В настоящата приложна бележка е представен моделът за проникване, базиран на McMasters [1]. Той е подходящ за измервания върху материали с грапави повърхности и върху изключително порести материали.
Порестите материали са предизвикателство - но не и за модела на проникване
При стандартните светкавични измервания предната страна на образеца поглъща цялата енергия. След това топлинната вълна преминава през дебелината на образеца, преди да достигне задната му страна (фигура 1). За порести материали NETZSCH вече е въвел модела за проникване (фигура 2), който включва следните съображения:
- Поглъщането на импулсната енергия вече не е ограничено до предната страна
- Поглъщането се разпростира върху тънък слой в дебелината на образеца
- Слоевете на поглъщане могат да се разглеждат като среден свободен път в материала
Отчитането на тези аспекти води до експоненциално намаляващо първоначално разпределение на температурата в образеца. Прилагането на този подход, който отчита порьозността на материала, води до подобряване на точността и прецизността на определените стойности на топлинната дифузия, топлопроводността и специфичния топлинен капацитет.
Условия за измерване
За да се провери пригодността на модела за проникване, бяха измерени два пълни полимера от един и същи тип, но с различна форма. Едното измерване е извършено върху образец с повърхност, която е покрита с отвори с диаметър 0,5 mm. За целите на сравнението второто измерване е извършено върху оригиналния образец с гладка повърхност (фигура 3). Топлинната дифузия е определена върху образец с размери 12,7 mm дебелина и 1,96 mm диаметър при стайна температура.
Резултати от измерването
На фигури 4 и 5 са показани измерванията на образеца със сондажи. На фигура 4 моделът на прилягане на сигнала от детектора (червена крива) е получен чрез използване на стандартния модел на Коуан [2]. Зеленият кръг показва зоната на отклоненията между модела и измервателната крива (синьо). С това - очевидно недостатъчно - моделно напасване топлинната дифузия се изчислява на 0,753 mm2/s. Изчислението, основано на модела на проникване, дава топлинна дифузия от 0,626 mm2/s, което е с почти 17 % по-ниска стойност (фигура 5).
Фигура 6 показва нарастването на сигнала на детектора от измерването на оригиналния напълнен полимерен диск с гладка повърхност. Използването на стандартния модел на Коуан тук за определяне на топлинната дифузия дава почти същите резултати от измерването, каквито са получени с модела на проникване за образеца с отвори (фигура 5). Отклонението възлиза на приблизително 3 %. Това доказва, че изчисляването на топлинната дифузия въз основа на модела Penetration дава правилни резултати.
Заключение
Наред с различните класически модели (напр. Cowan 5 /10, Parker, подобрен Cape-Lehman и др.), софтуерът NETZSCH LFA Proteus® включва много различни модели за изчисления, корекции и математически операции. Моделът за проникване е особено подходящ за порести материали и материали с грапава повърхност. Тази специална функция на софтуера LFA Proteus® включва проникването на светлинната светкавица в образеца отвъд действителната нагрята повърхност. Тя отчита порьозността на образеца, която води до отлагане на голяма част от енергията на светкавицата във вътрешността на образеца. Това означава, че моделът за проникване отчита поглъщането на енергията на импулса през тънък слой в дебелината на образеца. Измерванията на образци от един и същ образец, но с много различни структури на повърхността (гладка срещу пореста), потвърждават правилността на модела на проникване.