Introduktion
Softwaremodeller, der tager højde for påvirkningen af prøveemners form og overflade, bliver mere og mere vigtige for den præcise bestemmelse af termofysiske egenskaber (TPP) såsom varmediffusivitet (a), 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 (λ) 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). Af denne grund har NETZSCH i de senere år været engageret i løbende at forbedre eksisterende LFA-modeller (laser flash analysis) og i at udvikle nye beregningsmodeller, korrektioner og matematiske operationer, der tager højde for varmetab i kombination med pulskorrektion, stråling, flerlagssystemer, in-plane tests, baseline-korrektioner osv.
Denne applikationsnote præsenterer penetrationsmodellen baseret på McMasters [1]. Den er velegnet til målinger på materialer med ru overflader og på ekstremt porøse materialer.
Porøse materialer er en udfordring - men ikke for Penetrationsmodellen
Ved standardblitzmålinger absorberer prøveemnets forside den samlede energi. En termisk bølge vil derefter bevæge sig gennem prøvens tykkelse, før den når bagsiden (figur 1). For porøse materialer har NETZSCH nu introduceret penetrationsmodellen (figur 2), som omfatter følgende overvejelser:
- Absorptionen af pulsenergien er ikke længere begrænset til forsiden.
- Absorptionen udvides over et tyndt lag ind i prøvens tykkelse
- Absorptionslag kan håndteres som den gennemsnitlige frie vej i materialet
Når disse aspekter tages i betragtning, resulterer det i en eksponentielt aftagende indledende temperaturfordeling i prøven. Anvendelse af denne tilgang, som tager højde for materialets porøsitet, resulterer i forbedret nøjagtighed og præcision for værdierne for varmediffusivitet, 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 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.
Målebetingelser
For at teste egnetheden af penetrationsmodellen blev der målt på to fyldte polymerer af samme type, men med forskellige former. Den ene måling blev udført på en prøve med en overflade, der var dækket af borehuller med en diameter på 0,5 mm. Til sammenligning blev der foretaget en anden måling på den oprindelige prøve med en glat overflade (figur 3). Den termiske diffusivitet blev bestemt på prøvedimensioner på 12,7 mm i tykkelse og 1,96 mm i diameter ved stuetemperatur.
Resultater af målinger
Figur 4 og 5 viser målingen på prøven med borehuller. I figur 4 er modeltilpasningen af detektorens stigningssignal (rød kurve) opnået ved hjælp af standardmodellen af Cowan [2]. Den grønne cirkel angiver området med afvigelser mellem tilpasningen og målekurven (blå). Med denne - tydeligvis utilstrækkelige - modeltilpasning er den termiske diffusivitet beregnet til 0,753 mm2/s. Beregningen baseret på gennemtrængningsmodellen giver en 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 0,626 mm2/s, hvilket er næsten 17 % lavere (figur 5).
Figur 6 viser stigningen i detektorsignalet fra målingen på den originale fyldte polymerskive med glat overflade. Brug af standard Cowan-modellen her til bestemmelse af den termiske diffusivitet giver næsten de samme måleresultater som dem, der blev opnået med penetrationsmodellen for prøven med borehuller (figur 5). Afvigelsen er på ca. 3 %. Dette beviser, at beregningen af den termiske diffusivitet baseret på penetrationsmodellen giver korrekte resultater.
Konklusion
Sammen med de forskellige klassiske modeller (f.eks. Cowan 5 /10, Parker, forbedret Cape-Lehman osv.) indeholder NETZSCH LFA Proteus® software mange forskellige beregningsmodeller, korrektioner og matematiske operationer. Penetrationsmodellen er specielt velegnet til porøse materialer og materialer med en ru overflade. Denne særlige funktion i LFA Proteus® -softwaren involverer lysglimtets indtrængen i prøven ud over den faktiske opvarmede overflade. Den tager højde for prøvens porøsitet, som får en stor del af lysglimtenergien til at blive deponeret inde i prøven. Det betyder, at penetrationsmodellen tager højde for absorption af pulsenergien over et tyndt lag i prøvens tykkelse. Målinger på prøver af samme type, men med meget forskellige overfladestrukturer (glat vs. porøs), bekræfter Penetrationsmodellens korrekthed.