Termofyzikální charakterizace slitiny neodymu

Úvod

Neodymové slitiny jsou klíčovými materiály pro moderní vysoce výkonné aplikace. Používají se zejména jako základ pro vysoce výkonné permanentní magnety v elektromotorech, generátorech, větrných turbínách, senzorech a pevných discích. Kromě magnetických vlastností hrají rozhodující roli také termofyzikální vlastnosti neodymových slitin. Při vysokých hustotách výkonu a stoupajících provozních teplotách mají 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, 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 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 významný vliv na tepelné chování materiálu. Tyto vlastnosti jsou nezbytné pro efektivní řízení tepla, zabránění lokálnímu přehřátí a zajištění dlouhodobé materiálové a funkční stability.

Zvláštní význam má zde znalost tepelné difuzivity, protože popisuje, jak rychle se změna teploty šíří uvnitř materiálu. V kombinaci s hustotou a měrnou tepelnou kapacitou lze z ní určit tepelnou vodivost – klíčový parametr pro navrhování tepelně namáhaných součástí.

Metoda a podmínky měření

Termofyzikální vlastnosti neodymové slitiny byly stanoveny pomocí LFA 717 HyperFlash^® HT. Analýza laserovým zábleskem je jednou z nejuznávanějších metod měření tepelné vodivosti a vyznačuje se vysokou přesností a krátkou dobou měření. Během měření je přední povrch vzorku excitován krátkým energetickým impulsem a výsledný nárůst teploty na zadním povrchu se zaznamenává bez fyzického kontaktu s infračerveným detektorem. Na základě matematické aproximace křivky se z naměřeného signálu stanoví 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.

Kromě tepelné difuzivity byla metodou LFA podle srovnávací metody stanovena také 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. K tomuto účelu byla použita měděná referenční vzorek se známými termofyzikálními vlastnostmi. Na základě tepelné difuzivity, měrné tepelné kapacity a hustoty byla poté vypočítána 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. Přesné měřicí podmínky jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1: Podmínky měření

Výsledky a diskuze

Obrázek 1 znázorňuje tepelnou difuzivitu, měrnou tepelnou kapacitu a tepelnou vodivost zkoumané neodymové slitiny v rozmezí teplot od pokojové teploty do 800 °C. S rostoucí teplotou mají všechny termofyzikální vlastnosti tendenci se zvyšovat. V rozmezí přibližně 300 °C až 350 °C však 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 vykazuje zřetelné maximum, zatímco 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 současně dosahuje lokálního minima. Toto korelované chování naznačuje přechod, který souvisí s Curieovou transformací slitiny.

Obě vlastnosti jsou citlivé na strukturální či magnetické změny v materiálu a umožňují jednoznačnou identifikaci příslušného teplotního rozsahu.

Vypočítaná 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 však nevykazuje výrazný přechodový vrchol, nýbrž se zvyšuje téměř plynule v celém měřicím rozsahu. Toto chování je dáno tím, že protichůdné účinky zvýšené měrné tepelné kapacity a snížené tepelné difuzivity se při výpočtu tepelné vodivosti do značné míry navzájem kompenzují. Vliv přechodu je proto v tepelné vodivosti mnohem méně výrazný než u přímo měřených jednotlivých parametrů.

Výsledky ukazují, že kombinovaným stanovením tepelné difuzivity a měrné tepelné kapacity pomocí LFA lze tepelně-fyzikální chování materiálů posoudit přesněji. Zejména teplotně závislé anomálie, jako jsou ty, které se mohou vyskytovat v blízkosti Curieovy transformace, lze na základě jednotlivých parametrů spolehlivě detekovat a interpretovat.

Shrnutí

Tato metoda LFA 717 HyperFlash^® HT umožňuje přesnou charakterizaci tepelných vlastností při vysokých teplotách, zejména pomocí bezkontaktní metody laserového záblesku pro stanovení tepelné difuzivity. V kombinaci s referenčními vzorky a Density Determination lze spolehlivě stanovit také měrnou tepelnou kapacitu a tepelnou vodivost.