Въведение
След разработването на метода на лазерната светкавица от Паркър и др. през 1961 г. [1] са направени различни подобрения на този метод за безконтактно и безразрушително определяне на топлинната дифузия. В днешно време хардуерът и софтуерът трябва да позволяват измервания върху различни геометрии, форми и образци. Стана необходимо апаратът за лазерни/светлинни светкавици (LFA) да може да изпитва не само твърди, но и прахообразни, течни, натрошени и порести образци. Поради тази причина трябва да се осигурят някои хардуерни предпоставки, като например специфични държачи за проби. Освен това софтуерните модели, които отчитат влиянието на формата и вида на образеца, стават все по-важни за точното определяне на коефициента на топлопроводност (λ), коефициента на дифузия (a) 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).
През последните години NETZSCH непрекъснато усъвършенства и разработва изчислителни модели, корекции и математически операции, отчитащи топлинните загуби в комбинация с импулсна корекция, радиация, многослойни системи, изпитвания в равнината, корекции на изходната линия и др. В настоящата приложна бележка е представен моделът за проникване, базиран на McMasters [2], за измервания върху 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
Измерването на изолация от графитен филц е извършено между стайна температура и 90°C с помощта на NETZSCH LFA 427 и, за целите на сравнението, с NETZSCH топломер HFM 436 Lambda. Дебелината на образците възлиза съответно на 5,4 mm и 20 mm. Плътността е определена на 0,082 g/cm3 при 20°C.
Резултати от измерването
На фигура 3 са показани: а) резултатите от LFA измерванията, демонстриращи хода на наблюдаваната топлинна дифузия въз основа на модела на проникване; б) литературните данни за специфичния топлинен капацитет на графита POCO и в) изчислената топлопроводимост въз основа на уравнението:
с
λ = топлопроводимост
α = топлодифузионност
ρ = плътност
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 = специфичен топлинен капацитет
Измерването на LFA е оценено първо със стандартния модел (Cowan, [3]) и втори път с модела на проникване. Фигура 4 ясно показва, че едно и също измерване дава различни резултати за топлопроводимостта при използване на различни изчислителни модели. На въпроса кой е по-добрият резултат може да се отговори, като се провери увеличението на сигнала (фигура 5).
Фигура 5 показва нарастването на сигнала на детектора. Лявата графика показва използването на стандартния модел. Тя ясно показва, че стандартният модел дава недостатъчно добро съответствие на модела. В този случай топлинната дифузия се определя на 0,753 mm2/s- стойност, която е твърде висока за изследвания материал. Въпреки това се получава отлично съвпадение на модела, когато се използва съвпадение, базирано на модела на проникване (дясната графика). Получената стойност на топлинната дифузия, a = 0,626 mm2/s, е приблизително със 17 % по-ниска и поради подобреното напасване е много по-надеждна от тази, постигната със стандартния модел на Коуан.
Топлопроводимостта е пропорционална на топлинната дифузия и поради това стойностите са по-високи и за стандартните материали. Надеждността на резултатите, получени с модела на пенетрацията, се потвърждава от HFM измервания върху същия материал. Резултатите от LFA и HFM са в добро съответствие; максималното отклонение е по-малко от ±6% (фигура 6).
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. Един от тях е моделът Penetration (Проникване), който е подходящ специално 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 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. Други надеждни методи, като например измерването на топлинния поток (HFM), потвърждават резултатите от LFA, получени чрез прилагане на модела Penetration за изчисляване на топлинната дифузия/проводимост.