Εισαγωγή
Τα μοντέλα λογισμικού που λαμβάνουν υπόψη την επίδραση του σχήματος και της επιφάνειας των δοκιμίων γίνονται όλο και πιο σημαντικά για τον ακριβή προσδιορισμό των θερμοφυσικών ιδιοτήτων (TPP), όπως η θερμική διαχυτότητα (a), η θερμική αγωγιμότητα (λ) και 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). Για το λόγο αυτό, τα τελευταία χρόνια το NETZSCH έχει δεσμευτεί στη συνεχή βελτίωση των υφιστάμενων μοντέλων LFA (laser flash analysis) και στην ανάπτυξη νέων μοντέλων υπολογισμού, διορθώσεων και μαθηματικών πράξεων που λαμβάνουν υπόψη την απώλεια θερμότητας σε συνδυασμό με τη διόρθωση παλμών, την ακτινοβολία, τα πολυστρωματικά συστήματα, τις δοκιμές σε επίπεδο, τις διορθώσεις βασικής γραμμής κ.λπ.
Στο παρόν σημείωμα εφαρμογής παρουσιάζεται το μοντέλο διείσδυσης που βασίζεται στο McMasters [1]. Είναι κατάλληλο για μετρήσεις σε υλικά με τραχιές επιφάνειες και σε εξαιρετικά πορώδη υλικά.
Τα πορώδη υλικά αποτελούν πρόκληση - αλλά όχι για το μοντέλο διείσδυσης
Στις συνήθεις μετρήσεις flash, η μπροστινή πλευρά του δείγματος απορροφά τη συνολική ενέργεια. Στη συνέχεια, ένα θερμικό κύμα διατρέχει το πάχος του δείγματος πριν φτάσει στην πίσω πλευρά (σχήμα 1). Για τα πορώδη υλικά, το NETZSCH έχει τώρα εισαγάγει το μοντέλο διείσδυσης (σχήμα 2) που περιλαμβάνει τις ακόλουθες εκτιμήσεις:
- Η απορρόφηση της ενέργειας του παλμού δεν περιορίζεται πλέον στην εμπρόσθια όψη
- Η απορρόφηση επεκτείνεται σε ένα λεπτό στρώμα στο πάχος του δείγματος
- Τα στρώματα απορρόφησης μπορούν να αντιμετωπιστούν ως η μέση ελεύθερη διαδρομή στο υλικό
Η συνεκτίμηση αυτών των πτυχών οδηγεί σε μια εκθετικά φθίνουσα αρχική κατανομή θερμοκρασίας στο εσωτερικό του δοκιμίου. Η εφαρμογή αυτής της προσέγγισης, η οποία λαμβάνει υπόψη το πορώδες του υλικού, έχει ως αποτέλεσμα τη βελτίωση της ακρίβειας και της ακρίβειας των τιμών της θερμικής διάχυσης, της θερμικής αγωγιμότητας και της ειδικής θερμοχωρητικότητας που προσδιορίζονται.
Συνθήκες μέτρησης
Για τον έλεγχο της καταλληλότητας του μοντέλου διείσδυσης μετρήθηκαν δύο γεμισμένα πολυμερή του ίδιου τύπου αλλά διαφορετικού σχήματος. Η μία μέτρηση πραγματοποιήθηκε σε δοκίμιο με επιφάνεια, η οποία καλύφθηκε με οπές διαμέτρου 0,5 mm. Για λόγους σύγκρισης, μια δεύτερη μέτρηση πραγματοποιήθηκε στο αρχικό δοκίμιο με λεία επιφάνεια (σχήμα 3). Η θερμική διαχυτότητα προσδιορίστηκε σε δοκίμιο διαστάσεων 12,7 mm πάχους και 1,96 mm διαμέτρου σε θερμοκρασία δωματίου.
Αποτελέσματα μέτρησης
Τα σχήματα 4 και 5 απεικονίζουν τις μετρήσεις στο δείγμα με τις γεωτρήσεις. Στο σχήμα 4, η προσαρμογή του μοντέλου του σήματος ανόδου του ανιχνευτή (κόκκινη καμπύλη) προκύπτει με τη χρήση του τυπικού μοντέλου του Cowan [2]. Ο πράσινος κύκλος υποδεικνύει την περιοχή των αποκλίσεων μεταξύ της προσαρμογής και της καμπύλης μέτρησης (μπλε). Με αυτή την -προφανώς ανεπαρκή- προσαρμογή μοντέλου, η θερμική διαχυτότητα υπολογίζεται σε 0,753 mm2/s. Ο υπολογισμός με βάση το μοντέλο διείσδυσης δίνει μια θερμική διαχυτότητα 0,626 mm2/s, η οποία είναι σχεδόν 17% χαμηλότερη σε τιμή (σχήμα 5).
Στο Σχήμα 6 παρουσιάζεται η αύξηση του σήματος του ανιχνευτή από τη μέτρηση στον αρχικό γεμισμένο πολυμερή δίσκο με λεία επιφάνεια. Η χρήση του τυπικού μοντέλου Cowan εδώ για τον προσδιορισμό της θερμικής διαχυτότητας δίνει σχεδόν τα ίδια αποτελέσματα μέτρησης με αυτά που προέκυψαν με το μοντέλο διείσδυσης για το δοκίμιο με τις οπές (σχήμα 5). Η απόκλιση ανέρχεται σε περίπου 3%. Αυτό αποδεικνύει ότι ο υπολογισμός της θερμικής διαχυτότητας με βάση το μοντέλο Penetration αποδίδει σωστά αποτελέσματα.
Συμπέρασμα
Μαζί με τα διάφορα μοντέλα classical (π.χ. Cowan 5 /10, Parker, βελτιωμένο Cape-Lehman κ.λπ.), το λογισμικό NETZSCH LFA Proteus® περιλαμβάνει πολλά διαφορετικά μοντέλα υπολογισμού, διορθώσεις και μαθηματικές πράξεις. Το μοντέλο διείσδυσης είναι ειδικά κατάλληλο για πορώδη υλικά και υλικά με τραχιά επιφάνεια. Αυτή η ειδική λειτουργία του λογισμικού LFA Proteus® περιλαμβάνει τη διείσδυση της φωτεινής λάμψης στο δείγμα πέρα από την πραγματική θερμαινόμενη επιφάνεια. Λαμβάνει υπόψη το πορώδες του δείγματος, το οποίο προκαλεί την εναπόθεση μεγάλου μέρους της ενέργειας της φωτεινής λάμψης στο εσωτερικό του δείγματος. Αυτό σημαίνει ότι το μοντέλο διείσδυσης λαμβάνει υπόψη την απορρόφηση της ενέργειας του παλμού σε ένα λεπτό στρώμα στο πάχος του δείγματος. Μετρήσεις σε δείγματα του ίδιου δείγματος, αλλά με πολύ διαφορετικές επιφανειακές δομές (λείο έναντι πορώδους), επιβεβαιώνουν την ορθότητα του μοντέλου Penetration.