Metallers termiske diffusivitet som funktion af kornstørrelse

Introduktion

Sammen med varmeledningsevnen, λ, er den termiske diffusivitet, a, en vigtig termofysisk parameter. I modsætning til 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, som beskriver stationær varmeoverførsel, er varmediffusivitet, α, en parameter for et materiales transiente varmeoverførsel. For at beregne varmeledningsevnen kræves den termiske diffusivitet, a, ud over 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}, og densiteten, ρ:

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}

Den specifikke varmekapacitet er kun afhængig af den kemiske sammensætning. Densiteten er en funktion af et materiales makroskopiske struktur (f.eks. porer). Den termiske diffusivitet afhænger af makrostrukturen, men også til dels af mikrostrukturen i en prøve.

I det følgende vises den termiske diffusivitet for en kobberprøve som en funktion af kornstørrelsen. Som regel gælder det, at jo mindre kornstørrelse (= jo flere korngrænser), jo lavere er den termiske diffusivitet. Strukturen i en kobberprøve, der er fremstillet ved hjælp af additiv fremstilling, er kendetegnet ved mange small korn og dermed mange korngrænser på grund af de relativt korte opvarmnings- og hurtige afkølingscyklusser. Temperering af prøven (1 time ved 1000 °C) giver en struktur med betydeligt større korn og dermed færre korngrænser. En sammenligning af mikrostrukturerne er vist i figur 1.

Målebetingelser

Måling af den termiske diffusivitet ved stuetemperatur for de to kobberprøver blev udført med LFA 467 HyperFlash^®. LFA-prøverne havde en diameter på 12,7 mm og en tykkelse på 3 mm. Prøverne blev let, men ikke uigennemsigtigt, belagt med grafit før målingen for at forbedre kobberprøvernes emissions- og absorptionsegenskaber.

Resultater af målinger

Resultaterne er opsummeret i tabel 1. Den hærdede prøve på 116,88 mm²/s udviser næsten litteraturværdien for rent kobber på 117 mm²/s [1]. Kobberprøven direkte efter additiv fremstilling, med en mindre kornet mikrostruktur, viser en betydeligt lavere 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 på 108,97 mm²/s.

Konklusion

LFA er en berøringsfri målemetode, der pålideligt kan opløse selv small forskelle, f.eks. dem, der skyldes en ændring i mikrostrukturen, uden den forstyrrende indflydelse fra kontaktmodstande.

Anerkendelse

Vi vil gerne takke Infinite Flex GmbH for den additive fremstilling og Hærdning (tværbindingsreaktioner)Bogstaveligt oversat betyder udtrykket "crosslinking" "krydsnetværk". I kemisk sammenhæng bruges det om reaktioner, hvor molekyler knyttes sammen ved at indføre kovalente bindinger og danne tredimensionelle netværk.hærdning af kobberprøverne og University of Bayreuth, Department of Metals, for at stille mikrograferne til rådighed.

Tabel 1: 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 for rent kobber med forskellige strukturer ved stuetemperatur