NETZSCH Instrumenter til at løse opgaver inden for termoelektrik og byggematerialer

Introduktion

"Hej! Mit navn er Elizabeth Graham (billedet til venstre), og jeg er laboratoriekoordinator for laboratoriet for fysiske og mekaniske egenskaber i Central Analytical Research Facility (CARF) på Queensland University of Technology (QUT). CARF er en gruppe på ca. 50 professionelle og akademiske medarbejdere, der administrerer en portefølje af instrumenter, som opfylder mange af de videnskabeligt baserede forskningsbehov på QUT. Min kollega Jun Zhang (billedet til højre) og jeg tilbyder uddannelse og support inden for termisk analyse til QUT's forskningsmiljø samt test- og konsulenttjenester til australske forsknings- og erhvervsorganisationer.

Vi ligger i hjertet af Brisbane, Queensland, lige ved siden af den botaniske have i en moderne, specialbygget videnskabs- og ingeniørfacilitet med over 600 interne kunder. Vores mission er at give operationel træning til QUT HDR-studerende og andre QUT-forskere, så de afslutter deres uddannelse med praktisk træning på udstyr sammen med den nødvendige forståelse for at få de bedste resultater ud af deres dataanalyse. Vi har i øjeblikket 188 uddannede QUT-brugere på tværs af NETZSCH instrumenter.

Case 1: Det makromolekylære design af poly(styren-isopren-styren)-copolymerer (SIS) definerer deres ydeevne i fleksible elektrotermiske kompositvarmere

_{Hiruni T. Dedduwakumara, Christopher Barner-Kowollik, Deepak Dubal og Nathan R.B. Boase; ACS Applied Materials & InterfacesArtikel ASAP; DOI: 10.1021/acsami.3c19541;
Se publikationen på acsami.org: ACS Publikationer}

Denne undersøgelse fokuserer på at forbedre stabiliteten og ydeevnen af fleksible elektrotermiske kompositvarmere til elektriske køretøjer. Disse varmelegemer bruges i applikationer som biler, intelligente vinduer, afisningsapparater, displays, termoterapipuder og sensorer. De er afgørende for at opretholde køretøjets effektivitet i koldt vejr, hvor kabineopvarmning i koldt vejr påvirker køretøjets rækkevidde betydeligt. Metallegeringer og gennemsigtige ledende oxider (TCO) er almindelige materialer til denne anvendelse, men de har begrænsninger som f.eks. uegnede mekaniske egenskaber til anvendelsen og materialemangel.

Her er polymerer blevet udforsket som alternativer til metalopvarmningsanordninger på grund af deres lette vægt, fleksible natur og økonomiske levedygtighed. Men rene polymerer har normalt lav 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 stabilitet. Derfor fokuserer denne forskning på polymerbaserede kompositter bestående af poly(styren-isopren-styren) (SIS) og hydrogenerede poly(styren-ethylen-propylen-styren) (SEPS) copolymerer blandet med varierende mængder carbon black (CB). De roller, som tilstedeværelsen af olefiniske bindinger og mængden af CB spiller for de termiske egenskaber, blev undersøgt i detaljer.

I løbet af undersøgelsen syntetiserede og karakteriserede forskeren tre typer SIS/SEPS-copolymerer og deres kompositter med carbon black (CB). De termiske stabilitetsegenskaber blev vurderet ved hjælp af termogravimetrisk analyse (NETZSCH Jupiter^® 449 F3 STA) i både inerte og oxidative miljøer. Den elektrotermiske ydeevne blev evalueret ved at måle den termiske og elektriske ledningsevne og ensartetheden af varmefordelingen. Modstand, arkresistivitet og ledningsevne af sammensatte tynde film blev målt ved hjælp af et KSR-4 Four-Point Probe System. Varmeledningsevnen blev målt ved hjælp afNETZSCH laser flash analyzer. Specifik varme og glasovergangstemperaturer blev målt ved hjælp afNETZSCH DSC Phoenix^®. Et skematisk diagram, der viser tilgangen til karakteriseringen, er vist nedenfor.

DSC blev brugt til at undersøge indvirkningen af indførelsen af CB på glasovergangene i copolymersystemerne. De marginale ændringer, der blev observeret, tyder på, at strukturen af CB i kompositterne ikke hæmmer mobiliteten af polymerkæder, selv ved forhøjede CB-koncentrationer, i de testede sammensætninger, hvilket er meget gavnligt for de anvendelser, der involverer kompositfilmvarmere. En vigtig begrænsning ved fleksible elektrotermiske varmelegemer er deres stabilitet ved høje temperaturer eller spændinger eller under langvarig brug. I et forsøg på at forstå ældning og NedbrydningsreaktionEn nedbrydningsreaktion er en termisk induceret reaktion af en kemisk forbindelse, der danner faste og/eller gasformige produkter. nedbrydning af polymerkompositter, der opstår ved elektrisk svigt af enheder, blev 1,4-SIS-28CB, 3,4-SIS-28CB og SEPS-28CB kompositvarmere med vilje udsat for overspænding (30 V), indtil strømmen ophørte. Glasovergangstemperaturen(_Tg) for hver elektrisk fejlbehæftet kompositfilm blev bestemt ved hjælp af DSC-analyse. Det var vigtigt at bemærke, at _Tg for olefiniske blokke forblev uændret, hvilket bekræftede, at hovedparten af copolymermatrixen ikke blev nedbrudt under svigt.

Måling 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.termisk ledningsevne med NETZSCH LFA 467

Varmeledningsevne spiller en vigtig rolle i kompositfilmvarmere, da den styrer materialets evne til at distribuere varme. Der blev udført eksperimenter på kompositfilm for at måle deres varmediffusivitet ved hjælp af NETZSCH LFA 467 laserflash, og den specifikke varmekapacitet blev målt på NETZSCH Phoenix^® DSC med det formål at beregne varmeledningsevneværdier ved forskellige CB-belastninger.

Undersøgelsen viste, at øget CB-StammeForvrængning beskriver en deformation af et materiale, som belastes mekanisk af en ydre kraft eller spænding. Gummiblandinger har krybeegenskaber, hvis de udsættes for en statisk belastning.belastning fra 16 til 28 vægtprocent resulterede i betydelige forbedringer af varmeledningsevnen for alle de undersøgte copolymerer. Den forbedrede 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 tilskrevet CB's evne til at skabe varmeledningsveje gennem orientering og justering i matrixen. Forholdet mellem 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 fyldstofbelastning var ikke-lineært og viste en hurtig stigning, efterhånden som der blev dannet et mere perfekt fyldstofnetværk. Den maksimale 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 observeret omkring 50-75 °C med et lille fald op til 150 °C på grund af polystyrens overgang til en gummiagtig tilstand efter glasovergangen. Den iboende olefiniske struktur i SIS-copolymerkompositter bidrog til deres højere 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 sammenlignet med SEPS-kompositter.

Prototypevarmere blev fremstillet for at vurdere materialernes elektriske og varmemæssige ydeevne. Indarbejdelsen af CB forbedrede den elektriske ledningsevne for alle copolymermaterialerne. Selv når de udsættes for en tilsvarende kulstofbelastning, er det bemærkelsesværdigt, at 1,4-SIS og 3,4-SIS udviser større elektrisk 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 sammenlignet med SEPS. Derfor bliver det tydeligt, at både komposittens elektriske og termiske ledningsevne er direkte relateret til tilstedeværelsen af olefiniske strukturer i SIS-copolymerer og koncentrationen af CB.

Denne undersøgelse viste tydeligt, at for at maksimere effektiviteten af elektrotermiske varmelegemer skal polymerstrukturen og -egenskaberne optimeres sammen med belastningen og egenskaberne af den elektroaktive fyldstofkomponent. Når alle de relevante faktorer i forbindelse med enhedens ydeevne tages i betragtning, bliver det klart, at 3,4-SIS-28CB-kompositten udviser enestående 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, Elektrisk ledningsevne (SBA)Elektrisk ledningsevne er en fysisk egenskab, der angiver et materiales evne til at tillade transport af en elektrisk ladning.elektrisk ledningsevne og elektrotermisk opvarmningsevne sammenlignet med 1,4-SIS-28CB- og SEPS-28CB-kompositterne.

Undersøgelsen har vist, at inkorporering af CB i polymermatrixen forbedrer de elektrotermiske egenskaber uden at udøve en væsentlig indflydelse på den iboende struktur i den uberørte copolymer; det har dog en negativ indvirkning på kompositternes termo-oxidative stabilitet ved høje driftstemperaturer (<200 °C). Undersøgelsen bekræfter, at den olefiniske struktur i SIS-copolymerer spiller en afgørende rolle i forbedringen af kompositvarmernes elektrotermiske ydeevne. 3,4-SIS-28CB-kompositten skiller sig ud som et effektivt materiale til fleksible og lette elektrotermiske varmelegemer, der er velegnede til anvendelse i elektriske køretøjer og andre steder.

Case 2: Afdækning af vermiculits effekt på brændte lersten ved hjælp af avanceret instrumentering

_{Wang, Sen; Gainey, Lloyd; Marinelli, Julius; Deer, Brianna; Wang, Tony; Mackinnon, Ian; & Xi, Yunfei (2022); Effects of vermiculite on in-situ thermal behaviour, microstructure, physical and mechanical properties of fired clay bricks. Construction and Building Materials, 316, artikelnummer: 125828.}

Lersten er en vigtig del af byggeindustrien. Disse murstenes ydeevne er stærkt påvirket af deres sammensætning, og i denne undersøgelse rettede forskerne deres opmærksomhed mod en mindre undersøgt komponent - naturlig vermiculit.

Vermiculit er et svulmende ler, som kan udvide sig op til 30 gange sin oprindelige størrelse, når det opvarmes. Mens den ekspanderede form af vermiculit er velundersøgt, bliver naturlig vermiculit ofte overset som tilsætningsstof til mursten på grund af opfattelsen af, at dens ekspansion ved opvarmning reducerer murstenenes styrke. Men er denne opfattelse korrekt?

For at besvare dette spørgsmål gik vores forskere i gang med en detaljeret undersøgelse af vermiculit/ler-blandinger, hvor vermiculit udgjorde op til 30 vægt-% af blandingen. De anvendte en række avancerede termiske analyser og supplerende teknikker, herunder termogravimetrisk analyse (TGA), dilatometri, røntgendiffraktion (XRD) uden for omgivelserne og laserblitzanalyse (LFA) til at fortolke termisk adfærd i realtid og udforske mikrostrukturen, de fysiske egenskaber og kompressionsegenskaberne for brændte lersten.

TGA- og dilatometriundersøgelserne (DIL) var medvirkende til at forstå murstenenes termiske adfærd in situ, mens XRD uden for omgivelserne kastede lys over ændringerne i mineralogi med temperaturen. LFA blev på den anden side brugt til at afgøre, om tilsætningen af vermiculit påvirkede murstenenes termiske diffusivitet.

Konklusionerne fra undersøgelsen fremhæver flere vigtige resultater vedrørende virkningerne af at indarbejde vermiculit i brændte lersten.

Mineralogi: Non ambient-XRD blev brugt til at forstå mineralogien i disse produkter. Mineralogien i ler er kompleks. I prøven uden vermiculit observeres først dehydroxylering af kaolinit og illit/glimmer. Kvarts gennemgår en FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergang fra α- til β-fase, ledsaget af potentiel udvikling af mikrorevner, hvilket nødvendiggør kontrollerede opvarmningshastigheder i industriel teglproduktion. Nedbrydningen af calcit til kalk er observeret.

Desuden belyses udviklingen af andre faser, herunder medlemmer af feldspatfamilien, højtemperaturrelaterede faser som mullit og cristobalit, og forekomsten af spormineraler som anatas. Tilsætning af vermiculit i lerblandingen introducerer nye faser og ændrer den mineralogiske sammensætning, hvilket påvirker vermiculits dehydratiseringsadfærd og begyndelsestemperaturen for kaolinit-dehydroxylering. Derudover observeres dannelsen af Mg-relaterede silikater/aluminosilikater og andre faser, der påvirkes af tilstedeværelsen af vermiculit og tilhørende mineralinteraktioner. Samlet set giver de mineralogiske transformationer indsigt i den komplekse termiske opførsel af lersten og effekten af vermiculittilsætning på deres egenskaber.

Figuren nedenfor viser udviklingen i mineralogien, når prøven opvarmes i leret med og uden tilsætning af vermiculit.

Termisk opførsel: Mellem 25 og 1150 °C er der defineret fem forskellige vægttabstrin og seks dilatometriske/kontraktionstrin.

Non ambient in-situ XRD på lerblandingen uden vermiculit og prøven med 30 % vermiculit viser effekten af vermiculittilsætningen på mineralogien. De vigtigste FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange og deres forhold til massetabsdataene er opsummeret nedenfor.

Tilsætningen af V medfører ikke kun en betydelig udvidelse mellem 450 og 750 °C, men krympningen efter 950 °C forværres også på grund af det ændrede indhold og arten af lermineraler.

Dilatometridataene tyder på, at der observeres større dimensionsændringer, når vermiculitindholdet øges. Den hurtige udvidelse, der ses ved højere vermiculitindhold i område "4", skyldes alvorlig eksfoliering af interstratificeret vermiculit-biotit (vrm-bt) kombineret med en lille volumetrisk forøgelse af vermiculit.

De vigtigste FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange, som er belyst ved hjælp af XRD uden for omgivelserne, og deres forhold til dimensionsændringsdataene er opsummeret nedenfor.

Mekaniske egenskaber og isoleringsegenskaber: Tørringskrympning, brændingskrympning og densitet stiger betydeligt ved tilsætning af vermiculit. Trykstyrken stiger op til 5 % med vermiculittilsætning og falder derefter.

I prøven med 30 % vermiculit opstod der revner mellem 450 og 750 °C på grund af eksfoliering af vrm-bt og vermiculit. På trods af forglasning og krympning over denne temperatur forsvinder revnerne ikke helt, selv ikke efter brænding ved 1150 °C.

Prøvens termiske diffusivitet forbliver uændret ved 5 % vermiculittilsætning og stiger derover, hvilket tyder på, at isoleringsegenskaberne bevares op til 5 % vermiculit. De mekaniske og isolerende egenskaber er opsummeret nedenfor.

Baseret på den termiske ydeevne og de mekaniske egenskaber anses 5 vægt-% rå, ubehandlet vermiculit for at være et optimalt forhold at tilsætte en lerblanding til murstensproduktion.

Sammenfattende fremhæver undersøgelsen de betydelige fordele ved at indarbejde vermiculit i brændte lersten, herunder forbedret termisk adfærd, forbedrede mekaniske egenskaber og potentielle bæredygtighedsfordele. Disse resultater understreger vigtigheden af at udforske nye materialer og teknikker for at imødekomme de udfordringer, som byggebranchen står over for, når det gælder om at skabe energieffektive og holdbare bygninger.

"Vi har altid sat pris på den gode service"

Vi havde allerede NETZSCH udstyr på plads (STA 449 F3 og Dilatometer), da jeg startede på QUT i 2015. Siden da har vi installeret endnu en STA (2015), en Laser Flash (2015), en Heat Flow-måler (2016) og en lavtemperatur DSC (Phoenix^®, 2018). STA'erne blev opgraderet i 2018 til at omfatte autosampler på begge instrumenter og igen i 2020 til at omfatte FTIR og GCMS udviklet gasanalyse.

Vi har altid haft fremragende kundeservicerespons fra NETZSCH, og deres applikationssupport har været enestående. Vi har minimal nedetid på grund af instrumentproblemer. Når vi rapporterer et problem, går teamet på NETZSCH Australia straks i gang med at udbedre problemet. Teamet er ekstremt lydhørt og vidende.

Det lokale team i Sydney kan besvare de fleste applikationsspørgsmål, og de har adgang til teamet i Selb (Tyskland) for eventuelle applikationsanmodninger, som de ikke har været i stand til at løse. Vi har kunnet samarbejde med NETZSCH om at løse alle de applikationsproblemer, vi nogensinde er stødt på. For at gøre det klart, har vi i øjeblikket 188 uddannede brugere. I løbet af instrumenternes levetid vil antallet af brugere, vi har uddannet til kompetence, snarere være 500. HDR-studerende kommer og afslutter deres studier og går videre til andre jobs, forhåbentlig med gode færdigheder!"

Liz, mange tak for din dybe indsigt i disse interessante casestudier! Vi ser frem til at fortsætte med at støtte din forskning i fremtiden!