Metallien terminen diffuusiokyky raekoon funktiona

Johdanto

Lämmönjohtavuuden λ ohella lämpödiffuusiokyky a on tärkeä termofysikaalinen parametri. Toisin kuin 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, joka kuvaa paikallaan pysyvää lämmönsiirtoa, lämpödiffuusiokyky, α, on parametri, joka kuvaa materiaalin ohimenevää lämmönsiirtoa. Lämmönjohtavuuden laskemiseksi tarvitaan ominaislämpökapasiteetin _{Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp} ja tiheyden ρ lisäksi lämpödiffuusiokapasiteetti a. Lämmönjohtavuuden laskemiseen tarvitaan lämpödiffuusiokapasiteetti a:

λ = _{α-Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp-ρ}

Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.Ominaislämpökapasiteetti riippuu ainoastaan kemiallisesta koostumuksesta. TiheysMassatiheys määritellään massan ja tilavuuden suhteena. Tiheys on materiaalin makroskooppisen rakenteen (esim. huokosten) funktio. Lämpödiffuusiokyky riippuu makrorakenteesta, mutta osittain myös näytteen mikrorakenteesta.

Seuraavassa esitetään kuparinäytteen lämpödiffussiivisuus raekoon funktiona. Pääsääntöisesti mitä pienempi raekoko (= mitä enemmän raerajoja), sitä alhaisempi lämpödiffuusiokyky. Additiivisen valmistuksen avulla tuotetun kuparinäytteen rakenteelle on ominaista monet small rakeet ja siten monet raerajat, mikä johtuu suhteellisen lyhyistä lämmitys- ja nopeista jäähdytyssykleistä. Näytteen karkaisu (1 tunti 1000 °C:ssa) tuottaa rakenteen, jossa on huomattavasti suurempia rakeet ja siten vähemmän raerajoja. Mikrorakenteiden vertailu on esitetty kuvassa 1.

Mittausolosuhteet

Kahden kuparinäytteen lämpödiffuusiokyvyn mittaus huoneenlämmössä suoritettiin LFA 467 HyperFlash^®-laitteella. LFA-näytteiden halkaisija oli 12,7 mm ja paksuus 3 mm. Näytteet päällystettiin kevyesti, mutta ei läpinäkymättömästi, grafiitilla ennen mittausta kuparinäytteiden emissio- ja absorptio-ominaisuuksien parantamiseksi.

Mittaustulokset

Tulokset esitetään yhteenvetona taulukossa 1. Karkaistun näytteen arvo 116,88 mm²/s vastaa lähes puhtaan kuparin kirjallisuusarvoa 117 mm²/s [1]. Suoraan lisäainevalmistuksen jälkeen kuparinäytteessä, jonka mikrorakenne on pienirakeisempi, on huomattavasti alhaisempi lämpödiffuusiokyky, 108,97 mm²/s.

Päätelmä

LFA on kosketukseton mittausmenetelmä, jolla voidaan ratkaista luotettavasti jopa small erot, kuten mikrorakenteen muutoksesta johtuvat erot, ilman kosketusvastusten häiritsevää vaikutusta.

Kuittaus

Haluamme kiittää Infinite Flex GmbH:ta kuparinäytteiden additiivisesta valmistuksesta ja karkaisusta sekä Bayreuthin yliopiston metallien laitosta mikrokuvien toimittamisesta.

Taulukko 1: Puhtaan kuparin lämpödiffuusiokyky eri rakenteilla huoneenlämmössä