Εισαγωγή
Τα κράματα νεοδυμίου αποτελούν βασικά υλικά για σύγχρονες εφαρμογές υψηλής απόδοσης. Συγκεκριμένα, χρησιμοποιούνται ως βάση για μόνιμους μαγνήτες υψηλής απόδοσης σε ηλεκτρικούς κινητήρες, γεννήτριες, ανεμογεννήτριες, αισθητήρες και σκληρούς δίσκους. Εκτός από τις μαγνητικές ιδιότητες, καθοριστικό ρόλο διαδραματίζουν και τα θερμοφυσικά χαρακτηριστικά των κραμάτων νεοδυμίου. Σε υψηλές πυκνότητες ισχύος και αυξανόμενες θερμοκρασίες λειτουργίας, η θερμική διαχυτότητα, η ειδική θερμοχωρητικότητα και η θερμική αγωγιμότητα επηρεάζουν σημαντικά τη θερμική συμπεριφορά ενός υλικού. Αυτές οι ιδιότητες είναι απαραίτητες για την αποτελεσματική διαχείριση της θερμότητας, την αποφυγή τοπικής υπερθέρμανσης και τη διασφάλιση της μακροπρόθεσμης σταθερότητας του υλικού και της λειτουργίας του.
Η γνώση της θερμικής διαχυτότητας έχει ιδιαίτερη σημασία σε αυτό το πλαίσιο, καθώς περιγράφει το πόσο γρήγορα διαδίδεται μια μεταβολή της θερμοκρασίας εντός του υλικού. Σε συνδυασμό με την πυκνότητα και την ειδική θερμοχωρητικότητα, από αυτήν μπορεί να προσδιοριστεί η θερμική αγωγιμότητα – μια κεντρική παράμετρος για τον σχεδιασμό εξαρτημάτων που υπόκεινται σε θερμική καταπόνηση.
Μέθοδος και συνθήκες μέτρησης
Οι θερμοφυσικές ιδιότητες του κράματος νεοδυμίου προσδιορίστηκαν με τη LFA 717 HyperFlash® HT. Η ανάλυση με λέιζερ φλας αποτελεί μία από τις πιο καθιερωμένες μεθόδους μέτρησης της θερμικής αγωγιμότητας και χαρακτηρίζεται από υψηλή ακρίβεια και σύντομους χρόνους μέτρησης. Κατά τη διάρκεια της μέτρησης, η εμπρόσθια επιφάνεια του δείγματος διεγείρεται από έναν σύντομο ενεργειακό παλμό, και η προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας στην οπίσθια επιφάνεια καταγράφεται χωρίς να υπάρχει επαφή με ανιχνευτή υπέρυθρης ακτινοβολίας. Με βάση μια μαθηματική προσαρμογή καμπύλης, η θερμική διαχυτότητα προσδιορίζεται από το μετρηθέν σήμα.
Εκτός από τη θερμική διαχυτότητα, προσδιορίστηκε επίσης η ειδική θερμοχωρητικότητα με τη μέθοδο LFA σύμφωνα με τη μέθοδο σύγκρισης. Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκε ένα πρότυπο χαλκού με γνωστές θερμοφυσικές ιδιότητες. Με βάση τη θερμική διαχυτότητα, την ειδική θερμοχωρητικότητα και την πυκνότητα, υπολογίστηκε στη συνέχεια η θερμική αγωγιμότητα. Οι ακριβείς συνθήκες μέτρησης παρατίθενται στον Πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Υλικό | Κράμα νεοδυμίου |
| Φορέας δείγματος | Ø 8 mm, SiC |
| Πρόγραμμα θερμοκρασίας | Από θερμοκρασία δωματίου έως 800 °C· διαστήματα 50 K |
| Διαστάσεις δείγματος | Διάμετρος 8 mm, πάχος: 2,8 mm |
| Επίστρωση | Γραφίτης |
| Αναφορά γιαΕιδική 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 | Καθαρός χαλκός |
| Ατμόσφαιρα | Αργό |
| Ρυθμός θέρμανσης | 10 K/min |
| Ενέργεια παλμού | 250 V / 600 μs |
Αποτελέσματα και Συζήτηση
Το Σχήμα 1 παρουσιάζει τη θερμική διαχυτότητα, την ειδική θερμοχωρητικότητα και τη θερμική αγωγιμότητα του υπό μελέτη κράματος νεοδυμίου από θερμοκρασία δωματίου έως 800 °C. Καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται, όλα τα θερμοφυσικά χαρακτηριστικά τείνουν να αυξάνονται. Ωστόσο, στην περιοχή από περίπου 300°C έως 350°C, η ειδική θερμοχωρητικότητα παρουσιάζει ένα σαφές μέγιστο, ενώ ταυτόχρονα η θερμική διαχυτότητα σχηματίζει ένα τοπικό ελάχιστο. Αυτή η συσχετισμένη συμπεριφορά υποδηλώνει μια μετάβαση που σχετίζεται με τον μετασχηματισμό Curie του κράματος.
Και οι δύο ιδιότητες είναι ευαίσθητες σε δομικές ή μαγνητικές μεταβολές του υλικού και επιτρέπουν τη σαφή αναγνώριση του σχετικού εύρους θερμοκρασιών.
Η υπολογισμένη θερμική αγωγιμότητα, ωστόσο, δεν παρουσιάζει έντονη κορυφή μετάβασης, αλλά αυξάνεται σχεδόν συνεχώς σε ολόκληρο το εύρος μέτρησης. Αυτή η συμπεριφορά οφείλεται στο γεγονός ότι οι αντίθετες επιδράσεις της αυξημένης ειδικής θερμοχωρητικότητας και της μειωμένης θερμικής διαχυτότητας αντισταθμίζονται σε μεγάλο βαθμό μεταξύ τους κατά τον υπολογισμό της θερμικής αγωγιμότητας. Η επίδραση της μετάβασης είναι επομένως πολύ λιγότερο έντονη στη θερμική αγωγιμότητα απ’ ό,τι στις μεμονωμένες παραμέτρους που μετρώνται άμεσα.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι, με τον συνδυασμένο προσδιορισμό της θερμικής διαχυτότητας και της ειδικής θερμοχωρητικότητας με τη χρήση της μεθόδου LFA, η θερμοφυσική συμπεριφορά των υλικών μπορεί να αξιολογηθεί με μεγαλύτερη ακρίβεια. Ειδικότερα, οι εξαρτώμενες από τη θερμοκρασία ανωμαλίες, όπως εκείνες που μπορεί να εμφανιστούν κοντά στη μετάπτωση του Curie, μπορούν να ανιχνευθούν και να ερμηνευθούν αξιόπιστα με βάση τις επιμέρους παραμέτρους.
Περίληψη
Το LFA 717 HyperFlash® HT επιτρέπει τον ακριβή χαρακτηρισμό των θερμικών ιδιοτήτων σε υψηλές θερμοκρασίες, ειδικά μέσω της μεθόδου λέιζερ φλας χωρίς επαφή για τον προσδιορισμό της θερμικής διαχυτότητας. Σε συνδυασμό με δείγματα αναφοράς και το Density Determination, μπορούν επίσης να προσδιοριστούν με αξιοπιστία η ειδική θερμοχωρητικότητα και η θερμική αγωγιμότητα.