Θερμική διαχυτότητα των μετάλλων ως συνάρτηση του μεγέθους των κόκκων

Εισαγωγή

Μαζί με τη θερμική αγωγιμότητα, λ, η θερμική διαχυτότητα, α, είναι μια σημαντική θερμοφυσική παράμετρος. Σε αντίθεση με τη θερμική αγωγιμότητα, η οποία περιγράφει τη σταθερή μεταφορά θερμότητας, η θερμική διαχυτότητα, α, είναι μια παράμετρος για τη μεταβατική μεταφορά θερμότητας ενός υλικού. Για τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας απαιτείται η θερμική διαχυτότητα, α, επιπλέον της ειδικής θερμοχωρητικότητας, _{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}, και της πυκνότητας, ρ:

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}

Η ειδική θερμοχωρητικότητα εξαρτάται μόνο από τη χημική σύνθεση. Η πυκνότητα είναι συνάρτηση της μακροσκοπικής δομής ενός υλικού (π.χ. πόροι). Η ικανότητα θερμικής διάχυσης εξαρτάται από τη μακροδομή, αλλά εν μέρει και από τη μικροδομή ενός δείγματος.

Στη συνέχεια, παρουσιάζεται η θερμική διαχυτότητα ενός δείγματος χαλκού ως συνάρτηση του μεγέθους των κόκκων. Κατά κανόνα, όσο smaller το μέγεθος των κόκκων (= όσο περισσότερα τα όρια των κόκκων), τόσο χαμηλότερη η θερμική διαχυτότητα. Η δομή ενός δείγματος χαλκού, που παράγεται μέσω της προσθετικής κατασκευής, χαρακτηρίζεται από πολλούς small κόκκους και συνεπώς πολλά όρια κόκκων, λόγω των σχετικά σύντομων κύκλων θέρμανσης και γρήγορης ψύξης. Η σκλήρυνση του δείγματος (1 ώρα στους 1000°C) αποδίδει μια δομή με σημαντικά larger κόκκους και συνεπώς λιγότερα όρια κόκκων. Μια σύγκριση των μικροδομών απεικονίζεται στο σχήμα 1.

Συνθήκες μέτρησης

Η μέτρηση της θερμικής διαχυτότητας σε θερμοκρασία δωματίου των δύο δειγμάτων χαλκού πραγματοποιήθηκε με το LFA 467 HyperFlash^®. Τα δείγματα LFA είχαν διάμετρο 12,7 mm και πάχος 3 mm. Τα δείγματα επικαλύφθηκαν ελαφρά, αλλά όχι αδιαφανώς, με γραφίτη πριν από τη μέτρηση για να βελτιωθούν οι ιδιότητες εκπομπής και απορρόφησης των δειγμάτων χαλκού.

Αποτελέσματα μέτρησης

Τα αποτελέσματα συνοψίζονται στον πίνακα 1. Το σκληρυμένο δείγμα, στα 116,88 mm²/s, παρουσιάζει σχεδόν τη βιβλιογραφική τιμή του καθαρού χαλκού, στα 117 mm²/s [1]. Το δείγμα χαλκού αμέσως μετά την προσθετική κατασκευή, με μικροδομή smaller-grained, παρουσιάζει σημαντικά χαμηλότερη θερμική διαχυτότητα 108,97 mm²/s.

Συμπέρασμα

Η LFA είναι μια μέθοδος μέτρησης χωρίς επαφή που μπορεί να επιλύσει αξιόπιστα ακόμη και διαφορές small, όπως αυτές που προκαλούνται από μια αλλαγή στη μικροδομή, χωρίς την ενοχλητική επίδραση των αντιστάσεων επαφής.

Αναγνώριση

Θα θέλαμε να ευχαριστήσουμε την Infinite Flex GmbH για την προσθετική κατασκευή και τη σκλήρυνση των δειγμάτων χαλκού και το Πανεπιστήμιο του Bayreuth, Τμήμα Μετάλλων, για την παροχή των μικροφωτογραφιών.

Πίνακας 1: Συντελεστής θερμικής διάχυσης καθαρού χαλκού με διαφορετικές δομές σε θερμοκρασία δωματίου