Εισαγωγή
Λόγω των εξαιρετικών μαγνητικών και θερμοφυσικών ιδιοτήτων του, ο καθαρός σίδηρος χρησιμοποιείται συχνά σε ηλεκτρομαγνητικά εξαρτήματα όπου η αποτελεσματική μεταφορά θερμότητας είναι απαραίτητη. Παραδείγματα περιλαμβάνουν πυρήνες μετασχηματιστών, ηλεκτρικούς κινητήρες, πηνία επαγωγής και εξαρτήματα στα ηλεκτρονικά ισχύος, όπου εμφανίζονται τόσο μαγνητικές όσο και θερμικές καταπονήσεις. Η ακριβής κατανόηση των θερμικών ιδιοτήτων σε ένα ευρύ φάσμα θερμοκρασιών είναι επομένως απαραίτητη για τον αξιόπιστο σχεδιασμό εξαρτημάτων και την ακριβή προσομοίωση της λειτουργικής τους συμπεριφοράς σε πραγματικές συνθήκες.
Η γνώση της θερμικής αγωγιμότητας είναι ζωτικής σημασίας, καθώς καθορίζει σημαντικά το πόσο αποτελεσματικά μεταφέρεται η θερμότητα μέσα σε ένα υλικό. Σε εφαρμογές που περιλαμβάνουν καθαρό σίδηρο, ιδίως σε ηλεκτρομαγνητικά εξαρτήματα, επηρεάζει άμεσα την κατανομή της θερμοκρασίας, τη διάχυση της θερμότητας και, συνεπώς, τη λειτουργική ασφάλεια και τη διάρκεια ζωής των εξαρτημάτων. Η ανεπαρκής απαγωγή θερμότητας μπορεί να οδηγήσει σε τοπική υπερθέρμανση, μειωμένη απόδοση ή ακόμη και σε βλάβη. Ως εκ τούτου, η ακριβής κατανόηση της θερμικής αγωγιμότητας είναι απαραίτητη για τον θερμικό σχεδιασμό, τη βελτιστοποίηση και την προσομοίωση των βιομηχανικών συστημάτων.
Μέθοδος και συνθήκες μέτρησης
Η ανάλυση flash με λέιζερ (LFA, βλ. σχήμα 1) χρησιμοποιείται κυρίως για τον προσδιορισμό της θερμικής διαχυτότητας (α) ενός υλικού. Όταν συνδυάζεται με την πυκνότητα (ρ) και την 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), μπορεί να υπολογιστεί η θερμική αγωγιμότητα (λ) (λ = α - 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 - ρ).
Κατά τη διάρκεια της μέτρησης, ο πυθμένας του δείγματος θερμαίνεται με έναν σύντομο παλμό λέιζερ. Η προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας στην απέναντι πλευρά ανιχνεύεται με τη χρήση ανιχνευτή υπερύθρων. Η θερμική διαχυτότητα του υλικού μπορεί στη συνέχεια να προσδιοριστεί με βάση αυτό το προφίλ θερμοκρασίας με την πάροδο του χρόνου και τα αντίστοιχα μαθηματικά μοντέλα.
Χρησιμοποιώντας μια ειδική θήκη δειγμάτων από ζαφείρι για λιωμένα μέταλλα (βλ. σχήμα 2), η θερμική διαχυτότητα ενός δείγματος καθαρού σιδήρου μετρήθηκε συνεχώς με το LFA 707 StratoFlash®Classic καθώς αυτό περνούσε από τη στερεά στην υγρή κατάσταση.
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) προσδιορίστηκε στο εύρος θερμοκρασιών από τη θερμοκρασία δωματίου έως τους 1600°C με τη χρήση του DSC 500 Pegasus®, εξοπλισμένου με κλίβανο ροδίου. Οι συνθήκες μέτρησης περιγράφονται λεπτομερώς στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης LFA
| Εύρος θερµοκρασίας | RT - 1600°C |
| Υποδοχή δείγματος | Ζαφείρι για λιωμένα μέταλλα |
| Μέγεθος δείγματος | Ø 1,39 mm- πάχος ~ 1,4 mm, επίπεδες παράλληλες επιφάνειες |
| Επικάλυψη | Γραφίτης |
| Ειδική θερμοχωρητικότητα | Μέσω DSC 500 Pegasus® |
| Ατµόσφαιρα | Ar |
| Ρυθμός θέρμανσης | Μεταβλητός 10 έως 20 K/min |
| Ενέργεια | 650 V- 600 μs |
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο Σχήμα 3 απεικονίζεται η τυπική συμπεριφορά του καθαρού σιδήρου, συμπεριλαμβανομένης της μετάβασης Curie (≈770°C). Τόσο η θερμική διαχυτότητα (κόκκινη καμπύλη) όσο και η ειδική θερμοχωρητικότητα (μαύρη καμπύλη) παρουσιάζουν διακριτές μεταβολές σε αυτό το σημείο, με τοπικό ελάχιστο και μέγιστο, αντίστοιχα. Έτσι, η μετάβαση Curie φαίνεται καθαρά στη θερμική διάχυση και την ειδική θερμοχωρητικότητα, ενώ η θερμική αγωγιμότητα (μπλε καμπύλη) δεν παρουσιάζει καμία επίδραση στην περιοχή αυτή. Στην περιοχή τήξης άνω των 1525°C, η θερμική διαχυτότητα και η θερμική αγωγιμότητα μειώνονται σημαντικά, καθώς η δομή του πλέγματος καταρρέει και η μεταφορά θερμότητας μέσω φωνονίων δεν πραγματοποιείται πλέον.
Περίληψη
Από το στερεό στο υγρό: StratoFlash®Classic , εξοπλισμένο με μια ειδική θήκη δειγμάτων από ζαφείρι, τα μέταλλα μπορούν να χαρακτηρίζονται συνεχώς μέχρι το τήγμα. Τα δεδομένα που προκύπτουν παρέχουν πολύτιμες πληροφορίες για τη συμπεριφορά της θερμικής αγωγιμότητας που εξαρτάται από τη θερμοκρασία, αποτελώντας μια αξιόπιστη βάση για την προσομοίωση, την επιλογή υλικών και τη βελτιστοποίηση εξαρτημάτων, ακόμη και σε ακραίες συνθήκες λειτουργίας.