Συμβουλές & κόλπα

Προσδιορισμός της ειδικής θερμότητας με τη μέθοδο LFA

Σε αυτή τη μέθοδο, η κάτω επιφάνεια ενός δείγματος θερμαίνεται με μια φωτεινή λάμπα ή έναν σύντομο παλμό λέιζερ και η προκύπτουσα αύξηση της θερμοκρασίας στην επάνω επιφάνεια του δείγματος μετράται με τη χρήση ενός ανιχνευτή υπερύθρων.

Η μέθοδος αυτή εισήχθη το 1961 από τους Parker et al. και αρχικά περιορίστηκε σε ισότροπα υλικά και αδιαβατικές συνθήκες, δηλαδή δεν λαμβανόταν υπόψη η ανταλλαγή θερμότητας με το περιβάλλον.

Με την πάροδο των ετών, ωστόσο, τα μαθηματικά μοντέλα για την προσαρμογή των πειραματικών δεδομένων βελτιώθηκαν και συμπεριλήφθηκαν παράγοντες όπως η απώλεια θερμότητας, οι επιδράσεις του μήκους παλμού κ.λπ. Έτσι, η ανάλυση με λέιζερ ή φωτεινή λάμψη έχει γίνει παγκοσμίως η μέθοδος επιλογής για τον προσδιορισμό της θερμικής διάχυσης και αγωγιμότητας.

Πρόκειται για μια ασυνεχή τεχνική μέτρησης η οποία θερμαίνει σε καθορισμένα βήματα θερμοκρασίας και στη συνέχεια διατηρεί τη θερμοκρασία σταθερή. Μετά τη σταθεροποίηση της θερμοκρασίας, πραγματοποιούνται γενικά τρεις έως πέντε μετρήσεις. Η αύξηση της θερμοκρασίας στην άνω επιφάνεια του δείγματος είναι σχετικά χαμηλή και συνήθως ανέρχεται σε λιγότερο από 1 Κ. Για τον υπολογισμό της θερμικής διαχυτότητας χρησιμοποιείται ο χρόνος ημίσειας διάρκειας _t1/2 (χρόνος που αντιστοιχεί στο μισό ύψος του βήματος). Η απόλυτη αύξηση της θερμοκρασίας (ύψος βήματος) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της ειδικής θερμότητας. Είναι έμμεσα ανάλογη της θερμοχωρητικότητας του δείγματος.

Η μέθοδος για τον προσδιορισμό της ειδικής θερμότητας με μετρήσεις LFA περιγράφεται λεπτομερώς στο ASTM E1461-07, παράρτημα X2. Μία από τις κύριες απαιτήσεις του προτύπου αυτού είναι η χρήση ενός υλικού αναφοράς με γνωστή τιμή ειδικής θερμότητας. Η _{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} ενός άγνωστου υλικού μπορεί να υπολογιστεί συγκρίνοντας τα ύψη σήματος μεταξύ δείγματος και αναφοράς (βλέπε τύπο).

Τ: ύψος των σημάτων του ανιχνευτή
Q: ενέργεια παλμού
Gain: κέρδος ενίσχυσης για τη θερμική άνοδο
ρ: πυκνότητα
L: πάχος του δείγματος
R: ακτίνα του δείγματος

Μέχρι στιγμής, δεν υπάρχουν στην αγορά πιστοποιημένα πρότυπα υλικά κατάλληλου μεγέθους (διάμετρος 12,7 mm) για το σκοπό αυτό. Ως εκ τούτου, το πρότυπο ASTM παραθέτει στο παράρτημα X3 διάφορα αποδεκτά από τη βιομηχανία υλικά αναφοράς για τη μελέτη της θερμικής διαχυτότητας, όπως ο ηλεκτρολυτικός σίδηρος και ο γραφίτης POCO (AXM -5QA), τα οποία διανέμονται από το NIST ως πρότυπα θερμικής αγωγιμότητας.

NETZSCH σας προσφέρει τα ακόλουθα υλικά αναφοράς, προσαρμοσμένα σε διάφορες περιοχές θερμοκρασίας και θερμικής διαπερατότητας:

Γραφίτης POCO,
_Al2O3,
Pyroceram 9606,
Ηλεκτρολυτικός σίδηρος,
Ανοξείδωτος χάλυβας (SRM 1461),
αλουμίνιο,
Pyrex και
Χαλκό.

Για την ακριβή συγκρισιμότητα των απόλυτων υψών βαθμίδων (αυξήσεις της θερμοκρασίας στην επιφάνεια του δείγματος), συνιστώνται πανομοιότυπες πειραματικές παράμετροι για τις μετρήσεις δείγματος και αναφοράς.

Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στην ικανότητα εκπομπής της επιφάνειας καθώς και στην περιοχή που πρόκειται να αναλυθεί. Η σταθερή ικανότητα εκπομπής μπορεί να εξασφαλιστεί με την όσο το δυνατόν πιο ομοιόμορφη επικάλυψη με γραφίτη. Η προς ανάλυση περιοχή αντιστοιχεί στη διάμετρο του ανοίγματος της πλάκας κάλυψης. Ακόμη και αν τα μεγέθη ή οι γεωμετρίες του δείγματος και της αναφοράς διαφέρουν διαφορετικά, οι διάμετροι των καλυπτικών πλακών πρέπει να ταιριάζουν.

Για το LFA 447 NanoFlash®, πρέπει επίσης να λαμβάνεται υπόψη το μέγεθος του χώρου μεταξύ της επιφάνειας του υλικού και του ανιχνευτή. Εάν το δείγμα είναι σημαντικά λεπτότερο από το υλικό αναφοράς, για παράδειγμα, το δείγμα θα πρέπει να τοποθετηθεί αντίστοιχα ψηλότερα μέσω ενός δακτυλίου ή παρόμοιου υποστηρίγματος.

Όπως και για τον προσδιορισμό του _cp με DSC, συνιστάται η ταυτόχρονη ή η αμέσως επόμενη μέτρηση του δείγματος και του υλικού αναφοράς. Για συμπαγή στερεά, μπορεί να επιτευχθεί ακρίβεια _{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} +/- 5-7% ή καλύτερη (ανάλογα με την προετοιμασία του δείγματος). Η μέθοδος αυτή δεν είναι κατάλληλη για πάστες, σκόνες, υγρά ή ανομοιογενή δείγματα.

Στο παρακάτω σχήμα απεικονίζονται τα δεδομένα _{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} του ανοξείδωτου χάλυβα (πρότυπο υλικό αναφοράς SRM 1461 για τη θερμική αγωγιμότητα) που επιτυγχάνονται με μετρήσεις LFA σε σύγκριση με τις τιμές της ειδικής θερμότητας που προκύπτουν από μια έρευνα DSC. Η απόκλιση των δεδομένων είναι σημαντικά μικρότερη από τις υποδεικνυόμενες μπάρες σφάλματος, οι οποίες αντιπροσωπεύουν +/- 3% .