Úvod
Molybden je již několik desetiletí k dispozici jako standard měrného tepla od NIST [1], ačkoli o jeho vlastnostech, jako je tepelná roztažnost, 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, není k dispozici mnoho informací. Podle literatury [1, 2, 3, 4] by čistý molybden neměl vykazovat žádné fázové změny až do bodu tání. To je však kritické, protože při zvýšených teplotách je citlivý na kyslík. Vzhledem k vysokému tlaku par oxidů molybdenu materiál zpravidla nemění vlastnosti v důsledku povrchové OxidaceOxidace může v rámci termické analýzy popisovat různé procesy.oxidace. Vzniklé oxidy se z povrchu jednoduše odpaří. Všechny tyto zvláštní vlastnosti molybdenu z něj činí vhodnou látku pro vícevrstvý standardní materiál.
Experimentální
Na čistém (99,99 %) molybdenu byla provedena měření různých termofyzikálních vlastností, jako je tepelná roztažnost, změna hustoty, měrné teplo a 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. Pro měření tepelné roztažnosti a stanovení změny hustoty byla použita pístová dilatometrie (DIL). Pro měření měrného tepla byla použita diferenční skenovací kalorimetrie (DSC). 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 byla stanovena pomocí techniky laserového záblesku (LFA). Výsledky zkoušek umožňují podrobný pohled na chování materiálu při tepelném zpracování a bylo také možné stanovit tepelnou vodivost. Bylo provedeno srovnání všech výsledků zkoušek s dostupnými literárními údaji.
Zkoušky byly prováděny na různých vzorcích připravených z původního bloku a měřeny v rozmezí teplot -125 °C až 1400 °C. Proto bylo možné tento materiál vyhodnotit jako možného kandidáta na standardní materiál pro různé termofyzikální vlastnosti v širokém rozsahu teplot.
Čistý molybden (99,99 %) dodala společnost Plansee SE, Reutte, Rakousko. Pro analýzu byl použit blok large o průměru 30 mm a délce 120 mm. Z válcového bloku byly připraveny různé vzorky pro různé zkušební techniky. Pro každou metodu měření byly připraveny dva vzorky, které byly testovány dvakrát až třikrát. Byla zkontrolována Tepelná stabilitaMateriál je tepelně stabilní, pokud se vlivem teploty nerozkládá. Jedním ze způsobů, jak určit tepelnou stabilitu látky, je použití termogravimetrického analyzátoru (TGA). tepelná stabilita a homogenita materiálu a byla stanovena opakovatelnost výsledků zkoušek.
Výsledky testů
Na obrázku 1 jsou uvedeny naměřené výsledky tepelné roztažnosti pro dva různé vzorky molybdenu, které byly měřeny dvakrát. Rozptyl dat mezi vzorky a různými experimenty je obecně v rozmezí ±1,5 %. Vzhledem k přesnosti a opakovatelnosti použitého přístroje, vlivům povrchových efektů a vlivu odpařování oxidů je rozptyl dat v přijatelném rozmezí. Výsledky nenaznačují nehomogenity materiálu ani změny v hodnotách tepelné roztažnosti mezi jednotlivými průběhy ohřevu.
Na obrázku 2 je znázorněna Objemová expanzeObjem plynu, pevné látky nebo kapaliny se mění, pokud se změní teplota, tlak nebo síly působící na tento plyn/pevnou látku/kapalinu. V případě termické analýzy sledujeme změny závislé na teplotě.objemová roztažnost a změna hustoty molybdenu v závislosti na teplotě. Objemová roztažnost byla určena z naměřené teplotní roztažnosti za předpokladu izotropního chování materiálu, a tedy stejného chování ve všech směrech. Výpočet hustoty byl založen na objemové roztažnosti a objemové hustotě 10,216 g.cm-3 při pokojové teplotě. Objemová HustotaHmotnostní hustota je definována jako poměr mezi hmotností a objemem. hustota při pokojové teplotě byla stanovena z původně dodaného bloku vzorku měřením hmotnosti a objemu.
Obrázek 3 ukazuje hodnoty měrného tepla naměřené diferenčním skenovacím kalorimetrem. Oba vzorky byly opět měřeny dvakrát v nízkoteplotní ocelové peci (-125 °C až 300 °C) a ve vysokoteplotní platinové peci (300 °C až 1275 °C). Odchylka mezi jednotlivými výsledky byla v rozmezí ±2,0 %, a tedy zdaleka v rámci stanovené nejistoty přístroje použitého pro zkoušky. Hodnoty vykazují výrazný nárůst v závislosti na teplotě v nízkoteplotním rozsahu. Toto chování lze očekávat podle známé Debyeovy teorie [5]. Při vysokých teplotách se hodnoty zvyšují téměř lineárně. To je v naprostém souladu s fyzikou pevných látek (pravidlo Dulonga a Petita, [5]). V tomto teplotním rozmezí nebyly zjištěny žádné překrývající se přechody ani jiné tepelné efekty, což jasně naznačuje, že mezi -125 °C a 1275 °C nedochází v materiálu k žádné fázové změně. Tím je splněna podmínka jako u standardního materiálu, protože v zájmovém teplotním rozsahu nedochází k žádným strukturním změnám.
Obrázek 4 ukazuje výsledky měření tepelné difuzivity získané z různých zábleskových zařízení použitých pro testy. Je jasně vidět, že 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 klesá v závislosti na teplotě. Pokles se řídí chováním T-1 pod 600 °C, což vede k téměř lineárnímu poklesu při vyšších teplotách. Takové chování je typické pro materiály s převážně fononovou vodivostí, jako je keramika nebo grafitové materiály. Může se tedy stát, že příspěvek elektronů k přenosu tepla je u tohoto kovového materiálu small. Rozptyl měření se liší v jednotlivých sériích a u jednotlivých vzorků a obecně se pohybuje v rozmezí ±2 %. Pouze při teplotě 1000 °C bylo dosaženo mírně vyššího rozptylu (±3 %). Možným vysvětlením by mohlo být odpařování oxidů molybdenu v tomto teplotním rozsahu, které ovlivňuje emisivitu vzorků, a tedy absorpci laserového světla a emisi infračerveného světla.
Na obrázku 5 jsou uvedeny výsledky tepelné vodivosti stanovené vynásobením naměřené hustoty, měrného tepla a tepelné difuzivity. Údaje o hustotě pod pokojovou teplotou a měrném teple nad 1275 °C byly stanoveny lineární extrapolací naměřených údajů. Je jasně vidět, že 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 sleduje teplotní závislost tepelné difuzivity. Bylo také provedeno srovnání s literárními hodnotami [6]. Za předpokladu 5% přesnosti literárních hodnot a 3% nejistoty hodnot založených na měření jsou výsledky ve velmi dobré shodě.
Závěr
Na vysoce čistém molybdenu byly měřeny různé termofyzikální vlastnosti (tepelná roztažnost, změna hustoty, měrné teplo, 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, 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). Porovnání s literárními hodnotami ukázalo kvalitu výsledků měření a spolehlivost materiálu. Z výsledků zkoušek lze usuzovat, že čistý molybden by mohl být vhodným kandidátem pro použití jako standardní materiál až do vysokých teplot nad 1200 °C. Může být použit jako kalibrační standard pro různé termofyzikální vlastnosti. Bylo by vhodné provést další zkoušky v různých laboratořích a zkušebních ústavech, aby se prokázala schopnost tohoto materiálu.