Introducción
Los modelos de software que tienen en cuenta la influencia de la forma y la superficie de las probetas son cada vez más importantes para la determinación precisa de las propiedades termofísicas (PTF), como la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica (a), la Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica (λ) y la Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica (Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.cp). Por este motivo, en los últimos años NETZSCH se ha comprometido a mejorar continuamente los modelos LFA (laser flash analysis) existentes y a desarrollar nuevos modelos de cálculo, correcciones y operaciones matemáticas que tengan en cuenta la pérdida de calor en combinación con la corrección del pulso, la radiación, los sistemas multicapa, los ensayos en plano, las correcciones de la línea de base, etc.
Esta nota de aplicación presenta el modelo de Penetración basado en McMasters [1]. Es adecuado para mediciones en materiales con superficies rugosas y en materiales extremadamente porosos.
Los materiales porosos son un reto, pero no para el modelo de penetración
En las mediciones de flash estándar, la cara frontal de la probeta absorbe la energía total. A continuación, una onda térmica recorre el espesor de la muestra antes de alcanzar la cara posterior (figura 1). Para los materiales porosos, NETZSCH ha introducido ahora el modelo de Penetración (figura 2) que incluye las siguientes consideraciones:
- La absorción de la energía del impulso ya no se limita a la cara frontal.
- La absorción se extiende sobre una fina capa en el espesor de la muestra.
- Las capas de absorción pueden tratarse como el camino libre medio en el material
Si se tienen en cuenta estos aspectos, se obtiene una distribución inicial de la temperatura en la probeta que decae exponencialmente. La aplicación de este enfoque, que tiene en cuenta la porosidad del material, mejora la exactitud y la precisión de los valores determinados de Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica, Conductividad térmicaLa conductividad térmica (λ con la unidad W/(m-K)) describe el transporte de energía -en forma de calor- a través de un cuerpo de masa como resultado de un gradiente de temperatura (véase la fig. 1). Según la segunda ley de la termodinámica, el calor siempre fluye en la dirección de la temperatura más baja.conductividad térmica y Capacidad calorífica específica (cp)La capacidad calorífica es una magnitud física específica de un material, determinada por la cantidad de calor suministrada a la probeta, dividida por el aumento de temperatura resultante. La capacidad calorífica específica está relacionada con una unidad de masa de la muestra.capacidad calorífica específica.
Condiciones de medición
Para comprobar la idoneidad del modelo de penetración, se midieron dos polímeros rellenos del mismo tipo pero de formas diferentes. Una de las mediciones se realizó en una probeta con una superficie cubierta de orificios de 0,5 mm de diámetro. Por razones de comparación, se realizó una segunda medición en la probeta original con una superficie lisa (figura 3). La Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica se determinó en una probeta de 12,7 mm de espesor y 1,96 mm de diámetro a temperatura ambiente.
Resultados de las mediciones
Las figuras 4 y 5 muestran la medición en la muestra con perforaciones. En la figura 4, el ajuste del modelo de la señal de aumento del detector (curva roja) se obtiene utilizando el modelo estándar de Cowan [2]. El círculo verde indica la zona de desviación entre el ajuste y la curva de medición (azul). Con este ajuste del modelo -evidentemente insuficiente-, la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica se calcula en 0,753 mm2/s. El cálculo basado en el modelo de penetración arroja una Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica de 0,626 mm2/s, lo que supone un valor casi un 17% inferior (figura 5).
La figura 6 muestra el aumento de la señal del detector a partir de la medición en el disco de polímero relleno original con superficie lisa. Si se utiliza aquí el modelo estándar de Cowan para determinar la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica, se obtienen casi los mismos resultados de medición que con el modelo de penetración para la muestra con perforaciones (figura 5). La desviación es de aproximadamente un 3%. Esto demuestra que el cálculo de la Difusividad térmicaLa difusividad térmica (a con la unidad mm2/s) es una propiedad específica de los materiales para caracterizar la conducción de calor inestable. Este valor describe la rapidez con la que un material reacciona a un cambio de temperatura.difusividad térmica basado en el modelo de Penetración arroja resultados correctos.
Conclusión
Además de los distintos modelos clásicos (por ejemplo, Cowan 5 /10, Parker, Cape-Lehman mejorado, etc.), el software NETZSCH LFA Proteus® incluye muchos modelos de cálculo, correcciones y operaciones matemáticas diferentes. El modelo de penetración es especialmente adecuado para materiales porosos y materiales con una superficie rugosa. Esta característica especial del software LFA Proteus® implica la penetración del destello de luz en la muestra más allá de la superficie calentada real. Tiene en cuenta la porosidad de la muestra, que hace que gran parte de la energía del destello de luz se deposite en el interior de la muestra. Esto significa que el modelo de penetración tiene en cuenta la absorción de la energía del pulso en una fina capa del espesor de la muestra. Las mediciones realizadas en muestras de la misma muestra pero con estructuras superficiales muy diferentes (lisa frente a porosa) confirman la corrección del modelo de Penetración.