| Published: 

Inhomogene ildfaste materialers varmeledningsevne - LFA versus Hot Wire-metoden

Introduktion

Termofysiske egenskaber som 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, specifik varme 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.varmeledningsevne er afgørende parametre for at optimere produktionen og anvendelsen af grovkeramik. I årtier er sådanne egenskaber blevet bestemt ved hjælp af stationære metoder (f.eks. beskyttet varmepladeteknik) eller standardiserede transiente teknikker som f.eks. hot-wire-metoden i henhold til ISO 8894 (se TCT 426 i figur 1). Disse metoder er dog begrænset til large prøvestørrelser og lave varmeledningsevner. Desuden er disse metoder meget tidskrævende.

Flash-metoder er berøringsfrie måleteknikker og kan håndtere materialer med høj 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 uden problemer. Derudover er flash-metoder absolutte metoder til bestemmelse af 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. Moderne instrumenter (se LFA 427 i figur 2) giver ofte også mulighed for samtidig måling af et materiales specifikke varme, så varmeledningsevnen kan bestemmes uden yderligere målinger. Da flash-metoder er begrænset til homogene prøver med small dimensioner, er disse metoder ikke blevet brugt til at analysere inhomogen grov keramik. Men ved hjælp af avancerede, meget følsomme systemer er det nu muligt at teste større prøver [1]. Desuden giver de hurtige testtider for flash-metoderne mulighed for målinger af forskellige prøver taget fra murstenen, der kan testes uden yderligere anstrengelser. I det arbejde, der beskrives her, sammenlignes resultaterne fra laserblitz- og hot-wire-målinger på en siliciumcarbidholdig mursten og en magnesia-spinel-mursten. Målingerne blev udført på flere small prøver af det samme materiale for at kontrollere materialets homogenitet og metodernes reproducerbarhed.

1) NETZSCH TCT 426
2) NETZSCH LFA 427

Testresultater

Figur 3 viser resultaterne af målingerne af 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 på en magnesia-spinel mursten (figur 4) ved hjælp af LFA 427 og TCT 426. Den stiplede linje repræsenterer gennemsnitsværdierne (fejlstreg ±10 %) af de kombinerede data fra de to forskellige metoder. Det ses tydeligt, at de fleste værdier fra uafhængige LFA- og TCT-målinger ligger inden for ±10 % fra gennemsnittet. Dette illustrerer begge systemers høje nøjagtighed.

3) Varmeledningsevne for magnesia-spinel mursten; sammenligning af LFA- og TCT-testresultater; 10 % fejlbarre for gennemsnitsværdierne for alle TCT/LFA-resultater.
4) Magnesia-spinel-sten (85 % MgO og 12 % Al2O3), målt med TCT 426 (venstre) og LFA 427 (højre); de 3 LFA-prøver var belagt med grafit.

Desuden viser afvigelsen mellem de forskellige prøver det mulige interval for varmeledningsevnen på grund af inhomogeniteten i magnesia-spinel-murstenen. En lignende sammenligning af LFA- og TCT-målinger på siliciumcarbidholdige mursten (figur 6) er vist i figur 5. Igen ligger de uafhængige måleværdier alle inden for ±10 % af de gennemsnitlige data fra de to metoder kombineret.

5) Varmeledningsevne for mursten, der indeholder siliciumcarbid; sammenligning af LFA- og TCT-resultater; 10 % fejlbarre for gennemsnitsværdierne for alle TCT/LFA-resultater.
6) Siliciumcarbidholdig mursten (45 % Al2O3, 29 % SiO2 og 25 % Sic), målt med TCT 426 (venstre) og LFA 427 (højre); de 3 LFA-prøver var belagt med grafit.

Konklusion

Den gode overensstemmelse mellem resultaterne opnået med de to forskellige metoder laserblitz og varm tråd viser tydeligt, at begge metoder er meget velegnede til at analysere ildfaste materialer med stor nøjagtighed. NETZSCH model LFA 427 tilbyder dog flere fordele. Testresultaterne kan opnås hurtigt og med stor nøjagtighed. Målehastigheden kompenserer for small prøvedimensioner, da flere prøver kan testes med en højere prøvegennemstrømning. TCT-målinger er meget mere tidskrævende på grund af de store prøvedimensioner og den lange stabiliseringstid. Hot-wire-metoden i henhold til ISO 8894 er dog meget efterspurgt til ildfaste materialer.

Literature

  1. [1]
    J. Blumm, A. Lindemann: Thermophysical Properties Characterization of Coarse Ceramics Using the Transient Laser Flash Technique. J.G. Heinrich and and Aneziris, Proc 10th ECerS Conf., Göller Verlag, Baden-Baden,2007, 205-211, ISBN: 3-87264-022.4