Úvod
Pro přesné stanovení termofyzikálních vlastností (TPP), jako je 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 (λ) a 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), jsou stále důležitější softwarové modely, které zohledňují vliv tvaru a povrchu vzorků. Z tohoto důvodu se v posledních letech NETZSCH věnuje neustálému zdokonalování stávajících modelů LFA (laser flash analysis) a vývoji nových výpočetních modelů, korekcí a matematických operací zohledňujících tepelné ztráty v kombinaci s korekcí impulsů, zářením, vícevrstvými systémy, zkouškami v rovině, korekcemi základní linie atd.
Tato aplikační poznámka představuje model penetrace založený na McMastersově [1]. Je vhodný pro měření na materiálech s drsným povrchem a na extrémně porézních materiálech.
Porézní materiály jsou výzvou - ale ne pro model penetrace
Při standardním měření s bleskem absorbuje přední strana vzorku celkovou energii. Tepelná vlna pak prochází tloušťkou vzorku, než dosáhne jeho zadní strany (obr. 1). Pro porézní materiály nyní NETZSCH zavedl penetrační model (obr. 2), který zahrnuje následující úvahy:
- Absorpce energie impulzu již není omezena na přední plochu.
- Absorpce je rozšířena přes tenkou vrstvu do tloušťky vzorku.
- Absorpční vrstvy lze zpracovat jako střední volnou dráhu v materiálu
Výsledkem zohlednění těchto aspektů je exponenciálně klesající počáteční rozložení teploty ve vzorku. Použití tohoto přístupu, který zohledňuje pórovitost materiálu, vede ke zvýšení přesnosti a preciznosti stanovených hodnot tepelné difuzivity, tepelné vodivosti a měrné tepelné kapacity.
Podmínky měření
Pro testování vhodnosti penetračního modelu byly měřeny dva plněné polymery stejného typu, ale různých tvarů. Jedno měření bylo provedeno na vzorku s povrchem, který byl pokrytý otvory o průměru 0,5 mm. Z důvodu porovnání bylo druhé měření provedeno na původním vzorku s hladkým povrchem (obr. 3). 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 na vzorku o rozměrech 12,7 mm v tloušťce a 1,96 mm v průměru při pokojové teplotě.
Výsledky měření
Obrázky 4 a 5 znázorňují měření na vzorku s vrty. Na obrázku 4 je modelová shoda signálu nárůstu detektoru (červená křivka) získána pomocí standardního modelu podle Cowana [2]. Zelený kroužek označuje oblast odchylek mezi fitem a křivkou měření (modrá). S tímto - zjevně nedostatečným - modelovým přizpůsobením je 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 vypočtena na 0,753 mm2/s. Výpočet založený na penetračním modelu dává tepelnou difuzivitu 0,626 mm2/s, což je hodnota téměř o 17 % nižší (obr. 5).
Obrázek 6 ukazuje nárůst signálu detektoru z měření na původním plněném polymerním disku s hladkým povrchem. Použití standardního Cowanova modelu pro stanovení tepelné difuzivity zde dává téměř stejné výsledky měření, jaké byly získány pomocí penetračního modelu pro vzorek s otvory (obr. 5). Odchylka činí přibližně 3 %. To dokazuje, že výpočet tepelné difuzivity na základě Penetračního modelu poskytuje správné výsledky.
Závěr
Vedle různých klasických modelů (např. Cowan 5 /10, Parker, vylepšený Cape-Lehman atd.) obsahuje software NETZSCH LFA Proteus® mnoho různých výpočetních modelů, korekcí a matematických operací. Penetrační model je speciálně vhodný pro porézní materiály a materiály s drsným povrchem. Tato speciální funkce softwaru LFA Proteus® zahrnuje pronikání světelného záblesku do vzorku mimo vlastní zahřívaný povrch. Zohledňuje pórovitost vzorku, která způsobuje, že se velká část energie světelného záblesku ukládá uvnitř vzorku. To znamená, že penetrační model počítá s absorpcí energie záblesku přes tenkou vrstvu do tloušťky vzorku. Měření na vzorcích stejného vzorku, ale s velmi rozdílnou strukturou povrchu (hladký vs. porézní), potvrzují správnost Penetračního modelu.