Johdanto
Neodyymiseokset ovat keskeisiä materiaaleja nykyaikaisissa korkean suorituskyvyn sovelluksissa. Niitä käytetään erityisesti sähkömoottoreiden, generaattoreiden, tuuliturbiinien, anturien ja kiintolevyjen korkean suorituskyvyn kestomagneettien raaka-aineena. Magneettisten ominaisuuksien ohella myös neodyymiseosten lämpöfysikaalisilla ominaisuuksilla on ratkaiseva merkitys. Suurilla tehotiheyksillä ja nousevilla käyttölämpötiloilla lämpödiffuusiokerroin, ominaislämpökapasiteetti ja 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 vaikuttavat merkittävästi materiaalin lämpökäyttäytymiseen. Nämä ominaisuudet ovat välttämättömiä tehokkaan lämmönhallinnan kannalta, jotta vältetään paikallinen ylikuumeneminen ja varmistetaan materiaalin ja toiminnan pitkäaikainen vakaus.
Lämpödiffuusiokertoimen tuntemus on tässä yhteydessä erityisen tärkeää, sillä se kuvaa, kuinka nopeasti lämpötilan muutos leviää materiaalin sisällä. Tämän perusteella voidaan tiheyden ja ominaislämpökapasiteetin avulla määrittää 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 – keskeinen parametri lämpökuormitettujen komponenttien suunnittelussa.
Menetelmä ja mittausolosuhteet
Neodyymiseoksen lämpöfysikaaliset ominaisuudet määritettiin LFA 717 HyperFlash® HT. Laserflash-analyysi on yksi vakiintuneimmista menetelmistä lämmönjohtavuuden mittaamiseen, ja sille on ominaista suuri tarkkuus ja lyhyet mittausajat. Mittauksen aikana näytteen etupintaa viritetään lyhyellä energiapulssilla, ja takapinnalla syntyvä lämpötilan nousu rekisteröidään ilman kosketusta infrapunadetektoriin. Matemaattisen käyrän sovituksen perusteella lämpödiffuusio määritetään mitatusta signaalista.
Lämpödiffuusiokertoimen lisäksi myös ominaislämpökapasiteetti määritettiin LFA-menetelmällä vertailumenetelmän mukaisesti. Tätä varten käytettiin kuparista vertailukappaletta, jonka lämpöfysikaaliset ominaisuudet olivat tiedossa. Lämpödiffuusiokertoimen, ominaislämpökapasiteetin ja tiheyden perusteella laskettiin sitten 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. Tarkat mittausolosuhteet on esitetty taulukossa 1.
Taulukko 1: Mittausolosuhteet
| Materiaali | Neodyymiseos |
| Näytteenpidin | Ø 8 mm, SiC |
| Lämpötilaohjelma | Huoneenlämpötilasta 800 °C:een; 50 K:n välein |
| Näytteen mitat | Ø 8 mm, paksuus: 2,8 mm |
| Pinnoite | Grafiitti |
| ViiteOminaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp:lle | Puhdas kupari |
| Ilmakehä | Argon |
| Lämmitysnopeus | 10 K/min |
| Pulssienergia | 250 V / 600 μs |
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 1 esitetään tutkittavan neodyymiseoksen lämpödiffuusiokerroin, ominaislämpökapasiteetti ja 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 huoneenlämpötilasta 800 °C:een. Lämpötilan noustessa kaikki lämpöfysikaaliset ominaisuudet yleensä kasvavat. Noin 300 °C:n ja 350 °C:n välillä ominaislämpökapasiteetti saavuttaa kuitenkin selkeän maksimiarvon, kun taas lämpödiffuusiokyky saavuttaa samaan aikaan paikallisen minimiarvon. Tämä toisiinsa liittyvä käyttäytyminen viittaa siirtymään, joka liittyy seoksen Curie-muutokseen.
Molemmat ominaisuudet reagoivat herkästi materiaalin rakenteellisiin tai magneettisiin muutoksiin, minkä ansiosta kyseinen lämpötila-alue voidaan tunnistaa selvästi.
Lasketussa lämmönjohtavuudessa ei kuitenkaan näy selvää siirtymähuippua, vaan se kasvaa lähes jatkuvasti koko mittausalueella. Tämä johtuu siitä, että lisääntyneen ominaislämpökapasiteetin ja pienentyneen lämpödiffuusiokertoimen vastakkaiset vaikutukset kumoavat toisensa suurelta osin lämmönjohtavuutta laskettaessa. Siirtymän vaikutus on siten lämmönjohtavuudessa huomattavasti vähemmän selvä kuin suoraan mitatuissa yksittäisissä parametreissa.
Tulokset osoittavat, että määrittämällä lämpödiffuusiokyky ja ominaislämpökapasiteetti yhdessä LFA-menetelmällä materiaalien termofysikaalista käyttäytymistä voidaan arvioida tarkemmin. Erityisesti lämpötilariippuvaiset poikkeamat, kuten ne, joita voi esiintyä lähellä Curie-muutosta, voidaan havaita luotettavasti ja tulkita yksittäisten parametrien perusteella.
Yhteenveto
Tämä LFA 717 HyperFlash® HT mahdollistaa lämpöominaisuuksien tarkan karakterisoinnin korkeissa lämpötiloissa, erityisesti kosketuksettoman laserflash-menetelmän avulla, jolla määritetään lämmönleviämiskerroin. Yhdessä vertailunäytteiden ja Density Determination kanssa myös ominaislämpökapasiteetti ja 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 voidaan määrittää luotettavasti.