Εισαγωγή
Ο καθαρός σίδηρος χρησιμοποιείται συχνά ως υλικό αναφοράς και δοκιμών στην επιστήμη των υλικών. Λόγω των γνωστών θερμοφυσικών και μεταλλουργικών ιδιοτήτων του, χρησιμοποιείται για την επικύρωση μεθόδων μέτρησης και για τη διερεύνηση θεμελιωδών συσχετίσεων μεταξύ μικροδομής, μαγνητισμού και θερμικής συμπεριφοράς. Εκτός από την εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία ειδική θερμοχωρητικότητα (Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp), ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει η μετάβαση από σιδηρομαγνητική σε παραμαγνητική κατάσταση στη θερμοκρασία Curie. Η μετάβαση αυτή επηρεάζει τη θερμοφυσική συμπεριφορά του υλικού και εμφανίζεται ως χαρακτηριστικό φαινόμενο στην καμπύλη της θερμοχωρητικότητας.
Το STA 509 Jupiter® επιτρέπει την ταυτόχρονη καταγραφή θερμικών και βαρυμετρικών σημάτων (DSC-TGA), παρέχοντας μια ισχυρή βάση για τον ολοκληρωμένο χαρακτηρισμό των υλικών. Σε συνδυασμό με μια μαγνητική διάταξη, η μετάβαση Κουρί του καθαρού σιδήρου μπορεί να ανιχνευθεί σαφώς μέσω του σήματος TGA, πέραν του ακριβούς προσδιορισμού της ειδικής θερμοχωρητικότητας — όλα αυτά με μία μόνο μέτρηση.
Συνθήκες πειράματος/μέτρησης
Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν σε ένα τυπικό δείγμα σιδήρου με τη χρήση του STA 509 Jupiter® υπό ατμόσφαιρα αργού. Η ειδική θερμοχωρητικότητα προσδιορίστηκε μέσω ανάλυσηςDSC-Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp. Παράλληλα, καταγράφηκε το σήμα TGA. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε μαγνητική διάταξη για την ανίχνευση του μετασχηματισμού Curie (βλ. Εικόνα 1).
Αξιολόγηση της ειδικής θερμοχωρητικότητας
Η ειδική θερμοχωρητικότητα (Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp) προσδιορίζεται με τη χρήση μιας συγκριτικής μεθόδου σε σχέση με ένα υλικό αναφοράς, όπως περιγράφεται, για παράδειγμα, στο πρότυπο DIN EN ISO 11357. Η θερμοχωρητικότητα υπολογίζεται με την αξιολόγηση τριών ξεχωριστών μετρήσεων: της γραμμής βάσης, ενός τυποποιημένου υλικού (ζαφείρι) και του ίδιου του δείγματος. Για έναν αξιόπιστο και ουσιαστικό προσδιορισμό της Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp, είναι ιδιαίτερα σημαντικές οι αναπαραγώγιμες μετρήσεις της γραμμής αναφοράς και του ζαφείριου, καθώς αποτελούν τη βάση για την επακόλουθη αξιολόγηση. Από αυτά τα σύνολα δεδομένων, η τιμή Ειδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp του υπό εξέταση υλικού μπορεί να προσδιοριστεί σύμφωνα με την αναφερόμενη εξίσωση.
Το αποτέλεσμα της αξιολόγησης είναι η εξαρτώμενη από τη θερμοκρασία ειδική θερμοχωρητικότητα του υπό εξέταση υλικού. Αυτό παρέχει μια σταθερή βάση για τον χαρακτηρισμό του υλικού και μπορεί επίσης να χρησιμεύσει ως παράμετρος εισόδου για περαιτέρω θερμοφυσικούς υπολογισμούς.
Παράλληλα, η μέτρηση πραγματοποιείται με μαγνητική διάταξη (βλ. Εικόνα 1). Ο συνδυασμός των δύο σημάτων (TGA-DSC) επιτρέπει μια ιδιαίτερα σαφή και καλά τεκμηριωμένη ανίχνευση της μαγνητικής μεταμόρφωσης.
Στον Πίνακα 1 παρουσιάζεται μια επισκόπηση των συνθηκών μέτρησης που χρησιμοποιήθηκαν.
Πίνακας 1: Παράμετροι μέτρησης STA
| Όργανο | STA 509 Jupiter® |
|---|---|
| Θερμότητα μέτρησης | Τύπου S TGA/DSC |
| Κλίβανος | Ρόδιο |
| Χωνευτήριο | Pt/Rh με καπάκι (με επένδυσηAl₂O₃ ) |
| Ατμόσφαιρα | Ar με OTS® (70 ml/min) |
| Πρόγραμμα θερμοκρασίας |
|
| Μάζα δείγματος | 121,871 mg |
| Πρότυπο βαθμονόμησης | Ζαφείρι (55,203 mg) |
Αποτελέσματα και συζήτηση
Η μετρηθείσα ειδική θερμοχωρητικότητα του καθαρού σιδήρου παρουσιάζει αρχικά την αναμενόμενη συνεχή αύξηση. Μέχρι περίπου τους 700 °C, οι πειραματικές τιμές συμφωνούν σε πολύ μεγάλο βαθμό με τα δεδομένα της βιβλιογραφίας. Αυτό αποδεικνύει την υψηλή ποιότητα του προσδιορισμούτης ειδικής θερμοχωρητικότητας με το STA 509 και επιβεβαιώνει την καταλληλότητα του συστήματος για ακριβείς θερμοφυσικές μετρήσεις σε μεταλλικά υλικά. Στο εύρος της μετάπτωσης Curie, η καμπύληΕιδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp παρουσιάζει ένα χαρακτηριστικό φαινόμενο που μπορεί να αποδοθεί στη σιδηρομαγνητική-παραμαγνητική μετάπτωση του σιδήρου. Επιπλέον, παρατηρείται ένα φαινόμενο μετάπτωσης (μετάπτωση σε στερεή κατάσταση, α-Fe → γ-Fe) στους 918 °C. Αυτή η μετάβαση φάσης δεύτερης τάξης οδηγεί σε μια έντονη μεταβολή στην καμπύλη της θερμικής χωρητικότητας και επιτρέπει τον προσδιορισμό της θερμοκρασίας μετασχηματισμού.
Παράλληλα με τη μέτρησηΕιδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp, καταγράφηκε η καμπύλη TGA χρησιμοποιώντας μαγνητική διάταξη. Στην σιδηρομαγνητική κατάσταση, ο καθαρός σίδηρος αλληλεπιδρά με το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Μόλις επιτευχθεί η θερμοκρασία Curie, το υλικό μεταβαίνει στην παραμαγνητική κατάσταση, με αποτέλεσμα η μαγνητικά επαγόμενη δύναμη που ασκείται στο δείγμα να μεταβάλλεται απότομα και η καμπύλη TGA να παρουσιάζει μια φαινομενική αύξηση της μάζας. Το φαινόμενο αυτό δεν οφείλεται σε πραγματική μεταβολή της μάζας, αλλά στη μεταβολή της μαγνητικής δύναμης που ασκείται στο δείγμα. Κάτω από τη θερμοκρασία Curie, το δείγμα έλκεται από τον μαγνήτη. Πάνω από τη θερμοκρασία Curie, ο σίδηρος χάνει τις σιδηρομαγνητικές του ιδιότητες. Ως αποτέλεσμα, η πρόσθετη δύναμη δεν ασκείται πλέον στο δείγμα, γεγονός που καταγράφεται ως μεταβολή του σήματος στην καμπύλη TGA.
Η θερμοκρασία του χαρακτηριστικού σήματος TGA συσχετίζεται άριστα με τη μετάβαση Curie που ανιχνεύεται στην καμπύληΕιδική θερμοχωρητικότητα (cp)Η θερμοχωρητικότητα είναι ένα φυσικό μέγεθος ειδικό για κάθε υλικό, το οποίο καθορίζεται από την ποσότητα θερμότητας που παρέχεται στο δείγμα, διαιρούμενη με την προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας. Η ειδική θερμοχωρητικότητα σχετίζεται με τη μονάδα μάζας του δείγματος.cp. Η μαγνητική διάταξη παρέχει επομένως ανεξάρτητη επιβεβαίωση της μαγνητικής φάσης μετάβασης. Ελλείψει μαγνητικού πεδίου, δεν θα αναμενόταν καμία σημαντική μεταβολή μάζας στο εύρος θερμοκρασιών που διερευνήθηκε, δεδομένου ότι το δείγμα αναλύεται υπό αδρανή ατμόσφαιρα σε ένα αεριοστεγές σύστημα μέτρησης και, ως εκ τούτου, δεν λαμβάνουν χώρα διεργασίες που σχετίζονται με οξείδωση ή άλλες διεργασίες που μεταβάλλουν τη μάζα.
Περίληψη
Η έρευνα σχετικά με το σίδηρο δείχνει ότι η ειδική θερμοχωρητικότητα μπορεί να προσδιοριστεί αξιόπιστα και με ακρίβεια με το STA 509 Jupiter®. Οι τιμέςcp που μετρήθηκαν συμφωνούν πολύ καλά με τα δεδομένα της βιβλιογραφίας. Επιπλέον, ο μετασχηματισμός Curie μπόρεσε να ανιχνευθεί όχι μόνο στην καμπύληcp, αλλά και ταυτόχρονα στην καμπύλη TGA με τη χρήση μαγνητικής διάταξης. Η χαρακτηριστική αύξηση του σήματος TGA κατά την επίτευξη της θερμοκρασίας Curie συσχετίζεται πολύ καλά με το φαινόμενο της μετασχηματισμού στην καμπύλη της θερμικής χωρητικότητας. Αυτή η συμφωνία δείχνει ότι το STA 509 Jupiter® είναι σε θέση να απεικονίσει τον μαγνητικό μετασχηματισμό ταυτόχρονα σε δύο διαφορετικά επίπεδα σήματος. Αυτό αυξάνει την αξιοπιστία της ερμηνείας και καταδεικνύει την ευελιξία του συστήματος.
Για τον χαρακτηρισμό υλικών, αυτό σημαίνει ότι, με μια κατάλληλη διάταξη μέτρησης, μπορούν να διερευνηθούν τόσο οι θερμικές όσο και οι μαγνητικά επαγόμενες επιδράσεις των υλικών σε ένα μόνο πείραμα. Αυτό παρουσιάζει ιδιαίτερο ενδιαφέρον για υλικά με βάση το σίδηρο και για την ανάλυση μαγνητικών μετασχηματισμών.