Johdanto
Molybdeeni on ollut saatavilla NIST:n [1] ominaislämpöstandardina jo useiden vuosikymmenten ajan, vaikka ominaisuuksista, kuten lämpölaajenemisesta, lämpödiffuusiokyvystä ja lämmönjohtavuudesta, ei ole saatavilla paljon tietoa. Kirjallisuuden [1, 2, 3, 4] mukaan puhtaassa molybdeenissä ei pitäisi esiintyä faasimuutoksia sulamispisteeseen asti. Tämä on kuitenkin kriittistä, koska se on herkkä hapelle korkeissa lämpötiloissa. Koska molybdeenioksidien höyrynpaine on korkea, materiaali ei yleensä muuta ominaisuuksiaan pinnan hapettumisen vuoksi. Muodostuneet oksidit yksinkertaisesti haihtuvat pinnalta. Kaikki nämä molybdeenin erityisominaisuudet tekevät siitä kohtuullisen aineen moniominaisuusstandardimateriaaliksi.
Kokeellinen
Erilaiset termofysikaaliset ominaisuudet, kuten lämpölaajeneminen, tiheyden muutos, ominaislämpö ja lämpödiffuusiokyky, mitattiin puhtaasta (99,99 %) molybdeenimateriaalista. Lämpölaajenemisen mittaamiseen ja tiheyden muutoksen määrittämiseen käytettiin työntötankodilatometriaa (DIL). Ominaislämmön mittaamiseen käytettiin differentiaalista pyyhkäisykalorimetriaa (DSC). Lämpödiffuusiokyky määritettiin käyttäen laservalotekniikkaa (LFA). Koetulosten avulla saadaan yksityiskohtainen käsitys materiaalin käyttäytymisestä lämpökäsittelyssä, ja myös LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus voitiin määrittää. Kaikkia testituloksia verrattiin saatavilla oleviin kirjallisuustietoihin.
Testit suoritettiin eri näytteille, jotka oli valmistettu alkuperäisestä kappaleesta ja mitattu -125 °C:n ja 1400 °C:n välillä. Näin ollen oli mahdollista arvioida tätä materiaalia mahdollisena ehdokkaana standardimateriaaliksi eri lämpöfysikaalisten ominaisuuksien osalta laajalla lämpötila-alueella.
Puhtaan molybdeenin (99,99 %) toimitti Plansee SE, Reutte, Itävalta. Analyysissä käytettiin halkaisijaltaan 30 mm:n ja pituudeltaan 120 mm:n large -lohkaretta. Sylinterilohkosta valmistettiin erilaisia näytteitä eri testitekniikoita varten. Kutakin mittausmenetelmää varten valmistettiin kaksi näytettä, jotka testattiin kahdesta kolmeen kertaa. Materiaalin LämpöstabiilisuusMateriaali on lämpöstabiili, jos se ei hajoa lämpötilan vaikutuksesta. Yksi tapa määrittää aineen lämpöstabiilisuus on käyttää TGA-analysaattoria (termogravimetrinen analysaattori). lämpöstabiilisuus ja homogeenisuus tarkistettiin ja testitulosten toistettavuus määritettiin.
Testitulokset
Kuvassa 1 on esitetty mitatut lämpölaajenemisen tulokset kahdesta eri molybdeeninäytteestä, jotka on mitattu kahdesti. Näytteiden ja eri kokeiden välinen hajonta on yleensä ±1,5 prosentin sisällä. Kun otetaan huomioon käytetyn laitteen tarkkuus ja toistettavuus, pintavaikutusten vaikutus ja oksidien haihtumisen vaikutus, tietojen hajonta on hyväksyttävällä alueella. Tulokset eivät anna viitteitä materiaalin epähomogeenisuudesta tai lämpölaajenemisarvojen muutoksista eri lämmitysjaksojen välillä.
Kuvassa 2 on esitetty molybdeenin Tilavuuden laajeneminenKaasun, kiinteän aineen tai nesteen tilavuus muuttuu, jos lämpötila, paine tai kaasuun, kiinteään aineeseen tai nesteeseen vaikuttavat voimat muuttuvat. Lämpöanalyysissä tarkastellaan lämpötilasta riippuvia muutoksia.tilavuuslaajeneminen ja tiheyden muutos lämpötilan funktiona. Tilavuuslaajeneminen määritettiin mitatusta lämpölaajenemisesta olettaen, että materiaali käyttäytyy isotrooppisesti ja että sen laajeneminen on sama kaikissa suunnissa. Tiheyden laskenta perustui tilavuuslaajenemiseen ja huoneenlämpötilan irtotiheyteen 10,216 g.cm-3. Huoneenlämpötilan irtotiheys määritettiin alun perin toimitetusta näytekappaleesta mittaamalla massa ja tilavuus.
Kuvassa 3 esitetään differentiaalipyyhkäisykalorimetrillä mitatut ominaislämpöarvot. Molemmat näytteet mitattiin kaksi kertaa matalalämpöisessä teräsuunissa (-125 °C-300 °C) ja korkealämpöisessä platinauunissa (300 °C-1275 °C). Yksittäisten tulosten välinen poikkeama oli ±2,0 %:n sisällä ja siten selvästi testeissä käytetyn laitteen ilmoitetun epävarmuuden rajoissa. Arvot osoittavat voimakasta nousua lämpötilan funktiona matalissa lämpötiloissa. Tämä käyttäytyminen on odotettavissa tunnetun Debyen teorian [5] mukaisesti. Korkeissa lämpötiloissa arvot kasvavat lähes lineaarisesti. Tämä on täysin sopusoinnussa kiinteän olomuodon fysiikan kanssa (Dulongin ja Petitin sääntö, [5]). Tällä lämpötila-alueella ei havaittu päällekkäisiä siirtymiä tai muita lämpövaikutuksia, mikä osoittaa selvästi, että materiaalissa ei tapahdu faasimuutosta -125 °C:n ja 1275 °C:n välillä. Tämä täyttää standardimateriaalin ehdon, koska rakenteellisia muutoksia ei tapahdu kiinnostavalla lämpötila-alueella.
Kuvassa 4 esitetään testeissä käytetyistä eri välähdyslaitteista kerätyt lämpödiffuusiokyvyn mittaustulokset. On selvästi nähtävissä, että lämpödiffussiivisuus pienenee lämpötilan funktiona. Lasku noudattaa T-1-käyttäytymistä alle 600 °C:n lämpötilassa, minkä jälkeen lasku on lähes lineaarinen korkeammissa lämpötiloissa. Tällainen käyttäytyminen on tyypillistä pääasiassa fononeja johtaville materiaaleille, kuten keramiikalle tai grafiittimateriaaleille. Näin ollen saattaa olla, että elektronien osuus lämmönsiirrossa on small tämän metallisen materiaalin osalta. Mittauksen hajonta vaihtelee ajosta ja näytteestä toiseen, ja se on yleensä ±2 %:n sisällä. Ainoastaan 1000 °C:n lämpötilassa saatiin hieman suurempi hajonta (±3 %). Mahdollinen selitys tälle voi olla molybdeenioksidien haihtuminen tällä lämpötila-alueella, joka vaikuttaa näytteiden emissiivisyyteen ja siten laservalon absorptioon ja infrapunavalon emissioon.
Kuvassa 5 on esitetty lämmönjohtavuuden tulokset, jotka on määritetty kertomalla mitattu TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys, ominaislämpö ja lämpödiffuusiokyky. Huoneenlämpötilan alapuolella oleva TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. tiheys ja yli 1275 °C:n lämpötilassa oleva ominaislämpö määritettiin lineaarisesti ekstrapoloimalla mitatut tiedot. On selvästi nähtävissä, että LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus noudattaa lämpötilariippuvuutta ja lämpödiffuusiokykyä. Lisäksi tehtiin vertailu kirjallisuusarvoihin [6]. Jos oletetaan, että kirjallisuusarvojen tarkkuus on 5 % ja mittaukseen perustuvien arvojen epävarmuus 3 %, tulokset ovat erittäin hyvässä sopusoinnussa.
Päätelmä
Erilaisia termofysikaalisia ominaisuuksia (lämpölaajeneminen, tiheyden muutos, ominaislämpö, lämpödiffuusiokyky, LämmönjohtavuusLämmönjohtavuus (λ, yksikkö W/(m-K)) kuvaa lämmön muodossa olevan energian kulkeutumista massakappaleen läpi lämpötilagradientin vaikutuksesta (ks. kuva 1). Termodynamiikan toisen lain mukaan lämpö virtaa aina alemman lämpötilan suuntaan.lämmönjohtavuus) mitattiin erittäin puhtaasta molybdeenistä. Vertailu kirjallisuusarvoihin osoitti mittaustulosten laadun ja materiaalin luotettavuuden. Testitulosten perusteella voidaan olettaa, että puhdas molybdeeni voisi olla järkevä ehdokas käytettäväksi standardimateriaalina korkeisiin, yli 1200 °C:n lämpötiloihin asti. Sitä voidaan käyttää kalibrointistandardina erilaisille termofysikaalisille ominaisuuksille. Lisätestit eri laboratorioissa ja testauslaitoksissa olisivat tervetulleita materiaalin kyvykkyyden osoittamiseksi.