Introducción
Desde el desarrollo del método del destello láser por Parker et al. en 1961 [1], se han introducido diversas mejoras en este método para la determinación sin contacto y no destructiva 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. Hoy en día, el hardware y el software deben permitir mediciones en diferentes geometrías, formas y figuras de muestras. Se hizo necesario que el aparato de destello de luz/láser (LFA) pudiera probar no sólo sólidos, sino también muestras pulverulentas, líquidas, desmenuzadas y porosas. Por este motivo, es necesario disponer de ciertos requisitos previos de hardware, como soportes específicos para las muestras. Además, los modelos de software que tienen en cuenta la influencia de la forma de la muestra son cada vez más importantes para la determinación precisa 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 (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).
En los últimos años, NETZSCH ha mejorado y desarrollado continuamente modelos de cálculo, correcciones y operaciones matemáticas que tienen en cuenta la pérdida de calor en combinación con la corrección del pulso, la radiación, los sistemas multicapa, los ensayos en el plano, las correcciones de la línea de base, etc. Esta nota de aplicación presenta el modelo de penetración basado en McMasters [2] para mediciones en materiales 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 recorrerá 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
Se midió un aislamiento de fieltro de grafito entre temperatura ambiente y 90°C con el NETZSCH LFA 427 y, a efectos de comparación, con el NETZSCH medidor de flujo térmico HFM 436 Lambda. Los espesores de las muestras fueron de 5,4 mm y 20 mm, respectivamente. La DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad se determinó en 0,082 g/cm3 a 20°C.
Resultados de las mediciones
La figura 3 representa: a) los resultados de la medición del LFA que demuestran el curso 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 monitorizada basada en el modelo de Penetración, b) los datos bibliográficos de 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 del grafito POCO, y c) 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 calculada basada en la ecuación:
con
λ = 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
α = 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
ρ = DensidadLa densidad de masa se define como la relación entre la masa y el volumen. densidad
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 = 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
La medición del LFA se evaluó primero con el modelo estándar (Cowan, [3]) y una segunda vez con el modelo de Penetración. La figura 4 muestra claramente que la misma medición arroja diferentes resultados de 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 cuando se utilizan diferentes modelos de cálculo. La pregunta de cuál es el mejor resultado puede responderse comprobando el aumento de la señal (figura 5).
La figura 5 muestra el aumento de la señal del detector. El gráfico de la izquierda muestra el uso del modelo estándar. Indica claramente que el modelo estándar produce un ajuste insuficiente del modelo. En este caso, se determina que 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 es de 0,753 mm2/s, un valor demasiado alto para el material investigado. Sin embargo, se obtiene un excelente ajuste del modelo cuando se utiliza un ajuste basado en el modelo de penetración (gráfico de la derecha). El valor 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 resultante, a = 0,626 mm2/s, es aproximadamente un 17% inferior y, debido a la mejora del ajuste, mucho más fiable que el obtenido con el modelo estándar de Cowan.
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 es proporcional a 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 y, por lo tanto, los valores son más altos también para los materiales estándar. La fiabilidad de los resultados obtenidos con el modelo de Penetración se confirma mediante mediciones HFM en el mismo material. Los resultados de LFA y HFM concuerdan bien; la desviación máxima es inferior a ±6% (figura 6).
Conclusión
Junto con 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. Uno de ellos es el modelo de Penetración, que es adecuado específicamente para materiales porosos y materiales con una superficie rugosa. Esta característica especial del software LFA Proteus® tiene en cuenta la penetración del destello de luz en la muestra más allá de la superficie calentada. Tiene en cuenta la porosidad de la muestra, que hace que una 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 impulso en una fina capa del espesor de la muestra. Otros métodos fiables, como el Medidor de Flujo Térmico (HFM), confirman los resultados del LFA obtenidos aplicando el modelo de Penetración para el cálculo de la difusividad/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.