Úvod
Díky svým vynikajícím magnetickým a termofyzikálním vlastnostem se čisté železo často používá v elektromagnetických součástkách, kde je důležitý účinný přenos tepla. Příkladem jsou jádra transformátorů, elektromotorů, indukčních cívek a součástek ve výkonové elektronice, kde dochází k magnetickému i tepelnému namáhání. Přesné pochopení tepelných vlastností v širokém rozsahu teplot je proto nezbytné pro spolehlivý návrh součástí a přesnou simulaci jejich provozního chování v reálných podmínkách.
Znalost tepelné vodivosti je klíčová, protože významně určuje, jak efektivně se teplo v materiálu přenáší. V aplikacích zahrnujících čisté železo, zejména v elektromagnetických součástkách, přímo ovlivňuje rozložení teploty, odvod tepla, a tím i provozní bezpečnost a životnost součástek. Nedostatečný odvod tepla může vést k lokálnímu přehřátí, snížení účinnosti nebo dokonce k poruše. Proto je přesné pochopení tepelné vodivosti nezbytné pro tepelný návrh, optimalizaci a simulaci průmyslových systémů.
Metoda a podmínky měření
Analýza laserovým zábleskem (LFA, viz obrázek 1) se používá především ke stanovení tepelné difuzivity (α) materiálu. V kombinaci s hustotou (ρ) a měrnou tepelnou kapacitou (Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp) lze vypočítat tepelnou vodivost (λ) (λ = α - Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp - ρ).
Během měření se spodní část vzorku zahřívá krátkým laserovým pulzem. Výsledný nárůst teploty na opačné straně se detekuje pomocí infračerveného detektoru. Na základě tohoto teplotního profilu v čase a odpovídajících matematických modelů lze pak určit tepelnou difuzivitu materiálu.
Pomocí speciálního safírového držáku na vzorky roztavených kovů (viz obrázek 2) byla pomocí přístroje LFA 707 StratoFlash®Classic průběžně měřena Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita vzorku čistého železa při jeho přechodu z pevného do kapalného stavu.
Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.Měrná tepelná kapacita (Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.cp) byla stanovena v teplotním rozsahu od pokojové teploty do 1600 °C pomocí přístroje DSC 500 Pegasus®, vybaveného rhodiovou pecí. Podmínky měření jsou podrobně uvedeny v tabulce 1.
Tabulka 1: Podmínky měření LFA
| Teplotní rozsah | RT - 1600 °C |
| Držák vzorku | Safír pro roztavené kovy |
| Velikost vzorku | Ø 1,39 mm; tloušťka ~ 1,4 mm; rovinné rovnoběžné plochy |
| Povlak | Grafit |
| Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.Měrná tepelná kapacita | Pomocí DSC 500 Pegasus® |
| Atmosféra | Ar |
| Rychlost ohřevu | Proměnná 10 až 20 K/min |
| Energie | 650 V; 600 μs |
Výsledky a diskuse
Obrázek 3 znázorňuje typické chování čistého železa, včetně Curieho přechodu (≈770 °C). Jak Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita (červená křivka), tak Měrná tepelná kapacita (cp)Tepelná kapacita je fyzikální veličina specifická pro daný materiál, která se určuje jako podíl množství tepla dodaného vzorku a výsledného zvýšení teploty. Měrná tepelná kapacita se vztahuje k jednotkové hmotnosti vzorku.měrná tepelná kapacita (černá křivka) vykazují v tomto bodě výrazné změny s lokálním minimem, resp. maximem. Curieho přechod je tedy jasně patrný na tepelné difuzivitě a měrné tepelné kapacitě, zatímco Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost (modrá křivka) v této oblasti nevykazuje žádný vliv. V oblasti tání nad 1525 °C Tepelná difuzivitaTepelná difuzivita (a s jednotkou mm2/s) je specifická vlastnost materiálu, která charakterizuje nestacionární vedení tepla. Tato hodnota popisuje, jak rychle materiál reaguje na změnu teploty.tepelná difuzivita a Tepelná vodivostTepelná vodivost (λ s jednotkou W/(m-K)) popisuje přenos energie - ve formě tepla - hmotným tělesem v důsledku teplotního gradientu (viz obr. 1). Podle druhého termodynamického zákona teplo vždy proudí ve směru nižší teploty.tepelná vodivost výrazně klesají, protože se rozpadá mřížková struktura a k transportu tepla prostřednictvím fononů již nedochází.
Souhrn
Z pevného skupenství do kapalného: Pomocí přístroje LFA 707 StratoFlash®Classic , vybaveného speciálním safírovým držákem vzorků, lze kontinuálně charakterizovat kovy až do taveniny. Výsledná data poskytují cenné poznatky o chování tepelné vodivosti v závislosti na teplotě a tvoří spolehlivý základ pro simulaci, výběr materiálu a optimalizaci součástek, a to i za extrémních provozních podmínek.