Introduktion
Molybdæn har været tilgængelig som en specifik varmestandard fra NIST [1] i flere årtier, selvom der ikke er meget information tilgængelig om egenskaberne såsom termisk udvidelse, Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet og 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.termisk ledningsevne. Ifølge litteraturen [1, 2, 3, 4] bør ren molybdæn ikke udvise nogen faseændringer op til smeltepunktet. Dette er dog kritisk, fordi det er følsomt over for ilt ved høje temperaturer. På grund af molybdænoxidernes høje damptryk ændrer materialet generelt ikke egenskaber på grund af overfladeoxidation. De dannede oxider fordamper simpelthen fra overfladen. Alle disse særlige egenskaber ved molybdæn gør det til et fornuftigt stof til et standardmateriale med flere egenskaber.
Eksperimentel
Måling af forskellige termofysiske egenskaber som termisk udvidelse, densitetsændring, specifik varme og Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet blev udført på et rent (99,99 %) molybdænmateriale. Pushrod-dilatometri (DIL) blev anvendt til måling af den termiske udvidelse og bestemmelse af densitetsændringen. Differentialscanningskalorimetri (DSC) blev brugt til at måle den specifikke varme. Den termiske diffusivitet blev bestemt ved hjælp af laser flash-teknikken (LFA). Testresultaterne giver et detaljeret indblik i materialets opførsel under varmebehandling, og det var også muligt at bestemme varmeledningsevnen. Der blev foretaget en sammenligning af alle testresultater med tilgængelige litteraturdata.
Testene blev udført på forskellige prøver fremstillet af den oprindelige blok og målt mellem -125 °C og 1400 °C. Derfor var det muligt at evaluere dette materiale som en mulig kandidat til et standardmateriale for forskellige termofysiske egenskaber over et bredt temperaturområde.
Det rene molybdæn (99,99 %) blev leveret af Plansee SE, Reutte, Østrig. En large -blok med en diameter på 30 mm og en længde på 120 mm blev brugt til analysen. Fra cylinderblokken blev der fremstillet forskellige prøver til de forskellige testteknikker. For hver målemetode blev der fremstillet to prøver, som blev testet to til tre gange. Materialets termiske stabilitet og homogenitet blev kontrolleret, og testresultaternes repeterbarhed blev bestemt.
Testresultater
Figur 1 viser de målte resultater for termisk ekspansion for de to forskellige molybdænprøver, der blev målt to gange. Dataspredningen mellem prøverne og de forskellige eksperimenter ligger generelt inden for ±1,5 %. I betragtning af det anvendte instruments nøjagtighed og repeterbarhed, påvirkningen af overfladeeffekter og indvirkningen af FordampningFordampning af et grundstof eller en forbindelse er en faseovergang fra væskefase til damp. Der findes to typer fordampning: fordampning og kogning.fordampning af oxider, er spredningen af data inden for et acceptabelt område. Resultaterne giver ingen indikation af materialeinhomogeniteter eller ændringer i de termiske ekspansionsværdier mellem de forskellige opvarmningskørsler.
Figur 2 viser den volumetriske udvidelse og ændringen i massefylde for molybdæn i forhold til temperaturen. Den volumetriske ekspansion blev bestemt ud fra den målte termiske ekspansion under antagelse af en isotropisk opførsel af materialet og derfor den samme ekspansionsopførsel i alle retninger. Beregning af massefylden blev baseret på den volumetriske udvidelse og massefylden ved stuetemperatur på 10,216 g.cm-3. Massefylden ved stuetemperatur blev bestemt ud fra den oprindeligt leverede prøveblok ved at måle masse og volumen.
Figur 3 viser de specifikke varmeværdier målt med differentialscanningskalorimeteret. Igen blev begge prøver målt to gange i lavtemperaturstålovnen (-125 °C til 300 °C) og i højtemperaturplatinovnen (300 °C til 1275 °C). Afvigelsen mellem de enkelte resultater var inden for ±2,0 % og derfor langt inden for den angivne usikkerhed for det instrument, der blev brugt til testene. Værdierne viser en stærk stigning i forhold til temperaturen i lavtemperaturområdet. Denne opførsel kan forventes i henhold til den velkendte Debye-teori [5]. Ved høje temperaturer stiger værdierne næsten lineært. Dette er i perfekt overensstemmelse med faststoffysikken (Dulong og Petits regel, [5]). Der blev ikke registreret nogen overlappende overgang eller andre termiske effekter inden for dette temperaturområde, hvilket tydeligt indikerer, at der ikke sker nogen faseændring i materialet mellem -125 °C og 1275 °C. Dette opfylder betingelsen som et standardmateriale, da der ikke sker nogen strukturelle ændringer i det pågældende temperaturområde.
Figur 4 viser måleresultaterne for den termiske diffusivitet indsamlet fra de forskellige flash-enheder, der blev brugt til testene. Det kan tydeligt ses, at den termiske diffusivitet falder i forhold til temperaturen. Faldet følger T-1-opførslen under 600 °C, hvilket resulterer i et næsten lineært fald ved højere temperaturer. En sådan opførsel er typisk for overvejende fononledende materialer som keramik eller grafitmaterialer. Derfor kan det være, at elektronernes bidrag til varmeoverførslen er small for dette metalliske materiale. Spredningen af måleresultaterne varierer fra kørsel til kørsel og fra prøve til prøve og ligger generelt inden for ±2 %. Kun ved 1000 °C blev der opnået en lidt højere spredning (±3 %). En mulig forklaring på dette kan være fordampningen af molybdænoxider i dette temperaturområde, der påvirker prøvernes emissivitet og dermed absorptionen af laserlys og udsendelsen af infrarødt lys.
I figur 5 ses resultaterne af varmeledningsevnen, der er bestemt ved at gange den målte massefylde, specifikke varme og varmediffusivitet. Densitetsdataene under stuetemperatur og den specifikke varme over 1275 °C blev bestemt ved en lineær ekstrapolering af de målte data. Det kan tydeligt ses, at varmeledningsevnen følger temperaturafhængigheden af den termiske diffusivitet. Der blev også foretaget en sammenligning med litteraturværdier [6]. Hvis man antager en nøjagtighed på 5 % for litteraturværdierne og en usikkerhed på 3 % for de værdier, der er baseret på målingerne, er der meget god overensstemmelse mellem resultaterne.
Konklusion
Forskellige termofysiske egenskaber (termisk udvidelse, densitetsændring, specifik varme, Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheden mm2/s) er en materialespecifik egenskab til karakterisering af ustabil varmeledning. Denne værdi beskriver, hvor hurtigt et materiale reagerer på en temperaturændring.termisk diffusivitet, 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) blev målt på molybdæn af høj renhed. Sammenligningen med litteraturværdier viste kvaliteten af måleresultaterne og materialets pålidelighed. Ud fra testresultaterne kan det antages, at ren molybdæn kan være en rimelig kandidat til at blive brugt som standardmateriale op til høje temperaturer på over 1200 °C. Det kan bruges som kalibreringsstandard for forskellige termofysiske egenskaber. Yderligere tests på forskellige laboratorier og testinstitutter ville være ønskelige for at bevise materialets evne.