Εισαγωγή
Η τεχνική του μετρητή ροής θερμότητας (HFM) είναι μια γνωστή και αποδεκτή μέθοδος για τον προσδιορισμό της θερμικής αγωγιμότητας μονωτικών υλικών όπως το EPS, ο πετροβάμβακας ή οι πλάκες από υαλοβάμβακα. Επίσης, δομικά υλικά όπως το σκυρόδεμα με υψηλότερη θερμική αγωγιμότητα και άκαμπτη δομή μπορούν να διερευνηθούν με το HFM. Το κιτ οργάνων επεκτείνει το εύρος μέτρησης έως και 2 W/(m∙K). Το παρόν σημείωμα εφαρμογής περιγράφει λεπτομερώς το Instrumentation Kit και παρουσιάζει δεδομένα που ελήφθησαν σε Pyrex® με το HFM 436/3/1 (εικόνα 1). Η αποτελεσματικότητά του αποδεικνύεται με τη συσχέτιση των δεδομένων με την τεχνική Laser Flash Analysis (LFA, σχήμα 2).
Κιτ οργάνων
Κατά τη δοκιμή μονωτικών υλικών με την τεχνική HFM, οι θερμικές αντιστάσεις της διεπιφάνειας μεταξύ του δοκιμίου και των πλακών HFM είναι συνήθως αμελητέες, σε σχέση με τη θερμική αντίσταση του δοκιμίου. Στην περίπτωση δοκιμίων με υψηλή αγωγιμότητα ή/και δυσκαμψία, η υπόθεση αυτή δεν ισχύει πλέον. Ακόµη και αν οι επιφάνειες του δείγµατος είναι πολύ επίπεδες και επίπεδες, παραµένουν πάντοτε κάποια κενά αέρα στη διεπιφάνεια small, µε αποτέλεσµα σηµαντικές διαφορές µεταξύ των θερµοκρασιών των πλακών και της επιφάνειας του δείγµατος και ανοµοιογενή ροή θερµότητας µέσω του δείγµατος. Για να αποφευχθούν αυτές οι ελλείψεις, είναι απαραίτητο το Instrumentation Kit. Αποτελείται από δύο εξωτερικά θερμοστοιχεία και από δύο στρώματα διεπιφάνειας (σχήμα 3). Τα στρώματα διεπαφής βελτιώνουν τη θερμική επαφή μεταξύ των πλακών και του δείγματος, ενώ τα εξωτερικά θερμοστοιχεία βρίσκονται σε άμεση επαφή με τις επιφάνειες του δείγματος (εικόνα 4) και συνεπώς μετρούν τις ακριβείς και "πραγματικές" επιφανειακές θερμοκρασίες (εικόνα 5).
Σύγκριση δεδομένων μέτρησης σε Pyrex® με τη χρήση του HFM with Instrumentation Kit και της τεχνικής LFA
Η απόδοση του Κιτ οργάνων αποδεικνύεται με το Pyrex®, ένα ομοιογενές, χημικά σταθερό και γνωστό υλικό αναφοράς θερμικής αγωγιμότητας από τη δεκαετία του 1960 με θερμική αγωγιμότητα περίπου 1,14 W/(m∙K) στους 23°C [1].
Τα δεδομένα που αναφέρθηκαν πραγματοποιήθηκαν σε δοκίμια διαστάσεων 300 mm x 300 mm x 20 mm με και χωρίς Instrumentation Kit. Η calibraτωση των αισθητήρων ροής θερμότητας επιτεύχθηκε με μια πιστοποιημένη από το NIST πλακέτα από υαλοβάμβακα (1450D) χωρίς κιτ οργάνων, σύμφωνα με το ASTM C 518. Δοκιμάστηκαν τρία διαφορετικά δείγματα Pyrex (A, B, C) από την ίδια παρτίδα. Δύο δείγματα (1, 2) με διάμετρο 12,7 mm και πάχος 2,5 mm παρασκευάστηκαν επίσης από την ίδια παρτίδα για τις δοκιμές LFA. Οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν με το LFA467 Hyperflash.
Στον πίνακα 1 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα στους 23°C από τις διάφορες δοκιμές HFM και LFA. Η τυπική απόκλιση small (1,7%) των δοκιμών HFM καταδεικνύει την καλή αναπαραγωγιμότητα της μεθόδου. Η μέση θερμική αγωγιμότητα 1,15 W/(m∙K) παρουσιάζει απόκλιση μόνο 0,88% από τη μέση τιμή από την LFA και τη βιβλιογραφία. Αυτό αποδεικνύει την ακρίβεια των μετρήσεων HFM με το Instrumentation Kit.
Πίνακας 1: Θερμική αγωγιμότητα του Pyrex® στους 23°C με χρήση HFM και LFA
Μέθοδος | Δείγμα/Μέτρηση | Θερμική αγωγιμότητα W/(m∙K) | Μέση θερμική αγωγιμότητα W/(m∙K) |
|---|---|---|---|
| HFM | Pyrex A | 1.13 | 1.15 |
| Pyrex B | 1.17 | ||
| Pyrex C | 1.14 | ||
| HFM | Pyrex χωρίς κιτ οργάνων | 0.53 | 0.53 |
| LFA | Pyrex - 1 | 1.14 | 1.14 |
| Pyrex - 2 | 1.14 |
Χωρίς το κιτ οργάνων, η υψηλή αντίσταση θερμικής επαφής και οι άγνωστες επιφανειακές θερμοκρασίες οδηγούν σε θερμική αγωγιμότητα 0,53 W/(m∙K), σημαντικά χαμηλότερη από την αναμενόμενη τιμή.
Στο Σχήμα 6 απεικονίζονται τα αποτελέσματα από 10°C έως 65°C με το HFM, το LFA και τις βιβλιογραφικές τιμές (μπάρες σφάλματος ± 5%). Σε όλο το εύρος θερμοκρασιών, τα αποτελέσματα των HFM και LFA βρίσκονται σε καλή συμφωνία με τις βιβλιογραφικές τιμές (μέγιστη απόκλιση 2,8% - LFA και 3,9% - HFM).
Περίληψη
Η θερμική αγωγιμότητα δύσκαμπτων υλικών έως και 2 W/(m∙K) μπορεί να διερευνηθεί αξιόπιστα με το HFM, υπό την προϋπόθεση ότι οι επιφανειακές θερμοκρασίες μετρούνται με ακρίβεια. Αυτό επιτυγχάνεται με το κιτ οργάνων, το οποίο εξασφαλίζει ομοιογενή ροή θερμότητας και πραγματικές επιφανειακές θερμοκρασίες του δείγματος. Τα δεδομένα των μετρήσεων HFM με το Instrumentation Kit είναι εξαιρετικά αναπαραγώγιμα και σε καλή συμφωνία με τα αποτελέσματα της τεχνικής LFA και της βιβλιογραφίας. Επιπλέον, η μακροχρόνια σταθερότητα καθιστά το Pyrex® ως υλικό επιλογής για την επαλήθευση της απόδοσης της HFM με το Instrumentation Kit πριν από τη μέτρηση άγνωστων, υψηλά αγώγιμων δειγμάτων.