Δοκιμές πυκνότητας σε παχύρρευστα υλικά με χρήση περιστροφικού ρεομέτρου

Εισαγωγή

Οι δοκιμές πυκνότητας σε παχύρρευστα υλικά, όπως θερμικά αγώγιμες πάστες, τήγματα πολυμερών, αιωρήματα μπαταριών κ.λπ. είναι συνήθως αρκετά δύσκολες. Δεν μπορούν να πραγματοποιηθούν με τη συμβατική μέθοδο του Αρχιμήδη, επειδή τα υλικά αυτά μπορεί να απορροφήσουν νερό κατά την εμβάπτιση ή πρέπει να διερευνηθούν σε υψηλές θερμοκρασίες, όπως συμβαίνει με τα τήγματα πολυμερών. Ωστόσο, πολλές δοκιμές απαιτούν την τιμή της πυκνότητας ως δείκτη για περαιτέρω αναλύσεις. Παραδείγματα περιλαμβάνουν την εφαρμογή της πυκνότητας για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας της θερμικής πάστας μέσω της ανάλυσης flash με λέιζερ (LFA)- τη χρήση της αρχικής πυκνότητας του δείγματος ως αναφοράς για την ανάλυση της θερμικής διαστολής στη διαστολομετρία (DIL)- και, φυσικά, την εφαρμογή της πυκνότητας του δείγματος στις ρεολογικές δοκιμές, όπου απαιτείται επίσης για τη ροή συμπίεσης. Επομένως, μια γρήγορη και ακριβής μέθοδος για τη μέτρηση της πυκνότητας είναι πολύ σημαντική. Με τη χρήση της παράλληλης πλάκας του περιστροφικού ρεομέτρου, η τιμή της πυκνότητας των παχύρρευστων υλικών μπορεί να μετρηθεί γρήγορα και με ακρίβεια.

Συνθήκες μέτρησης και προετοιμασία δείγματος

Οι συνθήκες μέτρησης περιγράφονται λεπτομερώς στον πίνακα 1. Στο σχήμα 1 απεικονίζεται ένα θερμικό γράσο με πολύ υψηλή περιεκτικότητα σε στερεά, το οποίο παρουσιάζει μια μη ρέουσα οιονεί στερεή κατάσταση. Για τον προσδιορισμό της πυκνότητας αυτής της πάστας, χρησιμοποιείται πλάκα μεγαλύτερης διαμέτρου, όπως η πλάκα των 60 mm που παρουσιάζεται σε αυτό το παράδειγμα. Επιπλέον, είναι απαραίτητη η γρήγορη αποκόλληση της κάτω πλάκας, επειδή πρέπει να τοποθετήσουμε την κάτω πλάκα στη ζυγαριά και να ζυγίσουμε το δείγμα.

Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης

Διεξαγωγή των μετρήσεων

Μετά το μηδενισμό του διακένου, με βάση την ταχέως αποσπώμενη κάτω πλάκα του NETZSCH ρεομέτρου περιστροφής Kinexus, η κάτω πλάκα αφαιρέθηκε και τοποθετήθηκε στη ζυγαριά. Η μάζα του δείγματος ζυγίστηκε (εικόνα 2). Στη συνέχεια, η κάτω πλάκα τοποθετήθηκε ξανά στο φυσίγγιο. Ορίστηκε μια συγκεκριμένη τιμή διακένου. Το διάκενο αυτό κρατήθηκε για να απελευθερωθεί πλήρως η εσωτερική τάση του δείγματος. Η άνω πλάκα ανασηκώθηκε προς τα πάνω, έτσι ώστε να εμφανιστεί ένα σαφές κυκλικό αποτύπωμα στο υλικό. Λόγω της επιφανειακής τάσης αυτού του είδους ρευστού υλικού πάστας, μπορεί να σχηματίσει έναν τυπικό κύκλο αφού υποστεί τόσο σημαντική συμπίεση. Στη συνέχεια, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ένα βερνιέρο για να μετρήσουμε τη διάμετρο του κυκλικού αποτυπώματος, όπως φαίνεται στο σχήμα 3, και ο όγκος του δείγματος μπορεί να υπολογιστεί με ακρίβεια με τον ακόλουθο τύπο:

V = ^πr2h

V: όγκος [^mm3], r: ακτίνα του κυκλικού αποτυπώματος [mm]
h: διάκενο [mm]

Η πυκνότητα μπορεί επίσης να ληφθεί ως εξής:

ρ = m/V

ρ: πυκνότητα [^g-mm-3], m: μάζα [g], V: όγκος [^mm3]

Αποτελέσματα μέτρησης

Η θερμική πάστα είχε μάζα 2,5 g, το διάκενο ρύθμισης ήταν 0,5 mm, η διάμετρος του κυκλικού αποτυπώματος ήταν 55,76 mm και, τέλος, η τελική υπολογισμένη πυκνότητα ήταν 2,048g/cm³ (βλέπε πίνακα 2).

Πίνακας 2: Αποτελέσματα μέτρησης

Συμπέρασμα

Όταν συναντάμε μη στερεά δείγματα, όπως παχύρρευστα υλικά που είναι επιρρεπή στην απορρόφηση νερού ή τήγματα πολυμερών που απαιτούν υψηλές θερμοκρασίες δοκιμής, δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιήσουμε τη μέθοδο του Αρχιμήδη για τη δοκιμή πυκνότητας. Μπορούμε να διεξάγουμε γρήγορες και ακριβείς δοκιμές πυκνότητας χρησιμοποιώντας ένα περιστροφικό ρεόμετρο με μια γρήγορα αποσπώμενη παράλληλη πλάκα.