Introduktion
På grund af dets fremragende magnetiske og termofysiske egenskaber bruges rent jern ofte i elektromagnetiske komponenter, hvor effektiv varmeoverførsel er afgørende. Eksempler er transformerkerner, elmotorer, induktionsspoler og komponenter i effektelektronik, hvor der forekommer både magnetiske og termiske belastninger. Præcis forståelse af de termiske egenskaber over et bredt temperaturområde er derfor afgørende for pålideligt design af komponenter og nøjagtig simulering af deres driftsadfærd under virkelige forhold.
Viden om Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne er afgørende, da den i høj grad bestemmer, hvor effektivt varme transporteres i et materiale. I applikationer, der involverer rent jern, især i elektromagnetiske komponenter, har den direkte indflydelse på temperaturfordeling, varmeafledning og dermed komponenternes driftssikkerhed og levetid. Utilstrækkelig varmeafledning kan føre til lokal overophedning, reduceret effektivitet eller endda svigt. Derfor er en præcis forståelse af varmeledningsevnen afgørende for termisk design, optimering og simulering af industrielle systemer.
Metode og målebetingelser
Laser flash-analyse (LFA, se figur 1) bruges primært til at bestemme den termiske diffusivitet (α) i et materiale. Når den kombineres med densitet (ρ) og Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.specifik varmekapacitet (Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp), kan varmeledningsevnen (λ) beregnes (λ = α - Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp - ρ).
Under målingen opvarmes bunden af prøven med en kort laserpuls. Den resulterende temperaturstigning på den modsatte side registreres ved hjælp af en infrarød detektor. Materialets termiske diffusivitet kan derefter bestemmes ud fra denne temperaturprofil over tid og tilsvarende matematiske modeller.
Ved hjælp af en særlig safirprøveholder til smeltede metaller (se figur 2) blev den termiske diffusivitet af en ren jernprøve kontinuerligt målt med LFA 707 StratoFlash®Classic , mens den overgik fra fast til flydende tilstand.
Den specifikke varmekapacitet (Specifik varmekapacitet (cp)Varmekapacitet er en materialespecifik fysisk størrelse, der bestemmes af den mængde varme, der tilføres prøven, divideret med den resulterende temperaturstigning. Den specifikke varmekapacitet er relateret til en masseenhed af prøven.cp) blev bestemt i temperaturområdet fra stuetemperatur til 1600 °C ved hjælp af DSC 500 Pegasus®, der er udstyret med en rhodiumovn. Målebetingelserne er beskrevet i tabel 1.
Tabel 1: LFA-målebetingelser
| Temperaturområde | RT - 1600°C |
| Prøveholder | Safir til smeltede metaller |
| Størrelse på prøve | Ø 1,39 mm; tykkelse ~ 1,4 mm; planparallelle overflader |
| Belægning | Grafit |
| Specifik varmekapacitet | Ved hjælp af DSC 500 Pegasus® |
| Atmosfære | Ar |
| Opvarmningshastighed | Variabel 10 til 20 K/min |
| Energi | 650 V; 600 μs |
Resultater og diskussion
Figur 3 viser den typiske opførsel af rent jern, herunder Curie-overgangen (≈770 °C). Både den termiske diffusivitet (rød kurve) og den specifikke varmekapacitet (sort kurve) udviser tydelige ændringer på dette tidspunkt, med henholdsvis et lokalt minimum og maksimum. Curie-overgangen kan således tydeligt ses i den termiske diffusivitet og den specifikke varmekapacitet, mens varmeledningsevnen (blå kurve) ikke viser nogen effekt i dette område. I smelteområdet over 1525 °C falder varmediffusiviteten og varmeledningsevnen markant, da gitterstrukturen nedbrydes, og varmetransport via fononer ikke længere forekommer.
Sammenfatning
Fra fast stof til væske: Ved hjælp af LFA 707 StratoFlash®Classic , der er udstyret med en særlig safirprøveholder, kan metaller kontinuerligt karakteriseres helt ned til smelten. De resulterende data giver værdifuld indsigt i den temperaturafhængige Termisk ledningsevneVarmeledningsevne (λ med enheden W/(m-K)) beskriver transporten af energi - i form af varme - gennem et masselegeme som følge af en temperaturgradient (se fig. 1). Ifølge termodynamikkens anden lov strømmer varmen altid i retning af den laveste temperatur.varmeledningsevne og udgør et pålideligt grundlag for simulering, materialevalg og komponentoptimering, selv under ekstreme driftsforhold.