Johdanto
Erinomaisten magneettisten ja termofysikaalisten ominaisuuksiensa ansiosta puhdasta rautaa käytetään usein sähkömagneettisissa komponenteissa, joissa tehokas lämmönsiirto on välttämätöntä. Esimerkkejä ovat muuntajasydämet, sähkömoottorit, induktiokelat ja tehoelektroniikan komponentit, joissa esiintyy sekä magneettista että termistä rasitusta. Lämpöominaisuuksien tarkka tuntemus laajalla lämpötila-alueella on siksi olennaisen tärkeää, jotta komponentteja voidaan suunnitella luotettavasti ja simuloida tarkasti niiden toimintakäyttäytymistä todellisissa olosuhteissa.
Lämmönjohtavuuden tunteminen on ratkaisevan tärkeää, sillä se määrittää merkittävästi, kuinka tehokkaasti lämpö siirtyy materiaalin sisällä. Sovelluksissa, joissa käytetään puhdasta rautaa, erityisesti sähkömagneettisissa komponenteissa, se vaikuttaa suoraan lämpötilajakaumaan, lämmöntuottoon ja siten komponenttien käyttöturvallisuuteen ja käyttöikään. Riittämätön lämmönsiirto voi johtaa paikalliseen ylikuumenemiseen, tehokkuuden heikkenemiseen tai jopa vikaantumiseen. Siksi lämmönjohtavuuden tarkka ymmärtäminen on olennaista teollisten järjestelmien lämpösuunnittelussa, optimoinnissa ja simuloinnissa.
Menetelmä ja mittausolosuhteet
Laserleimausanalyysiä (LFA, ks. kuva 1) käytetään ensisijaisesti materiaalin lämpödiffuusiokyvyn (α) määrittämiseen. Kun se yhdistetään tiheyteen (ρ) ja ominaislämpökapasiteettiin (Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp), voidaan laskea 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 (λ) (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).
Mittauksen aikana näytteen pohja kuumennetaan lyhyellä laserpulssilla. Tästä aiheutuva lämpötilan nousu vastakkaisella puolella havaitaan infrapuna-ilmaisimella. Materiaalin lämpödiffuusiokyky voidaan sitten määrittää tämän lämpötilaprofiilin perusteella ajan kuluessa ja vastaavien matemaattisten mallien avulla.
Käyttämällä erityistä sulalle metallille tarkoitettua safiirinäytepidikettä (ks. kuva 2), puhtaan rautanäytteen lämpödiffuusiokykyä mitattiin jatkuvasti LFA 707 -laitteella StratoFlash®Classic näytteen siirtyessä kiinteästä tilasta nestemäiseen tilaan.
Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.Ominaislämpökapasiteetti (Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp) määritettiin huoneenlämpötilan ja 1600 °C:n välisellä lämpötila-alueella käyttäen DSC 500 Pegasus®-laitteistoa, joka on varustettu rodiumuunilla. Mittausolosuhteet on esitetty yksityiskohtaisesti taulukossa 1.
Taulukko 1: LFA-mittausolosuhteet
| Lämpötila-alue | RT - 1600 °C |
| Näytteen pidike | Safiiri sulaa metallia varten |
| Näytteen koko | Ø 1,39 mm; paksuus ~ 1,4 mm; tasasuorat pinnat |
| Pinnoite | Grafiitti |
| Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.Ominaislämpökapasiteetti | DSC 500 -menetelmällä Pegasus® |
| Ilmakehä | Ar |
| Lämmitysnopeus | Vaihteleva 10-20 K/min |
| Energia | 650 V; 600 μs |
Tulokset ja keskustelu
Kuvassa 3 esitetään puhtaan raudan tyypillinen käyttäytyminen, mukaan lukien Curie-siirtymä (≈770 °C). Sekä lämpödiffuusiokyky (punainen käyrä) että ominaislämpökapasiteetti (musta käyrä) muuttuvat selvästi tässä kohdassa, ja niillä on paikallinen minimi ja maksimi. Curie-siirtymä näkyy siis selvästi lämpödiffuusiokyvyssä ja ominaislämpökapasiteetissa, kun taas 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 (sininen käyrä) ei vaikuta tällä alueella. Yli 1525 °C:n sulamisalueella lämpödiffuusiokyky 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 pienenevät merkittävästi, koska ristikkorakenne hajoaa eikä lämmönsiirtoa fononien välityksellä enää tapahdu.
Yhteenveto
Kiinteästä nesteeksi: LFA 707 StratoFlash®Classic , joka on varustettu erityisellä safiirinäytepidikkeellä, metalleja voidaan jatkuvasti karakterisoida aina sulaan asti. Tuloksena saadut tiedot antavat arvokasta tietoa lämpötilasta riippuvasta lämmönjohtavuuskäyttäytymisestä, mikä muodostaa luotettavan perustan simuloinnille, materiaalivalinnoille ja komponenttien optimoinnille jopa äärimmäisissä käyttöolosuhteissa.