Yksi mittaus, kaksi signaalia: cp:n määrittäminen ja Curie-ilmiön havaitseminen raudalla STA 509 -laitteella Jupiter

Johdanto

Puhdasta rautaa käytetään usein vertailu- ja testiaineena materiaalitieteessä. Sen tunnetut lämpöfysikaaliset ja metallurgiset ominaisuudet tekevät siitä sopivan mittausmenetelmien validointiin sekä mikrorakenteen, magnetismin ja lämpökäyttäytymisen välisten yhteyksien tutkimiseen.

Lämpötilasta riippuvan 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}) lisäksi erityisen kiinnostava on ferromagneettisen ja paramagneettisen tilan välinen siirtymä Curie-lämpötilassa. Tämä muutos vaikuttaa raudan lämpöfysikaaliseen käyttäytymiseen ja näkyy ominaispiirteenä lämpökapasiteettikäyrässä.

STA 509 Jupiter^® -laite tallentaa samanaikaisesti lämpö- ja gravimetriset signaalit DSC-TGA-menetelmällä. Yhdistettynä magneettiseen mittausjärjestelmään se mahdollistaa tarkan_{Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp-arvon} määrittämisen ja puhtaan raudan Curie-muutoksen selkeän havaitsemisen TGA-signaalista yhdellä ainoalla mittauksella.

Lähikuva STA-uunista, joka on varustettu Curie-ilmiön havaitsemiseen käytettävällä magneettisella laitteistolla. — STA-uuni magneettisella järjestelyllä

Koe- ja mittausolosuhteet

Mittaukset suoritettiin rautanäytteellä STA 509 -laitteella Jupiter^® argonkaasuympäristössä. Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.Ominaislämpökapasiteetti määritettiin DSC_{Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp} -analyysin avulla, samalla kun TGA-signaalia tallennettiin rinnakkain. Curie-muutoksen havaitsemiseen käytettiin magneettista mittausjärjestelmää.

Taulukko 1: STA-mittausparametrit

Parametri	Ehto
Laite	STA 509 `Jupiter^®`
Mittauspää	Tyyppi S TGA/DSC
Uuni	Rhodium
Upokas	Pt/Rh-upokas, jossa on kansi ja_Al₂O₃ -vuoraus
Ilmakehä	Ar `OTS^®`, 70 ml/min
Lämpötilaohjelma	Isotermi 25 °C:ssa 10 minuutin ajan Dynaaminen vaihe: huoneenlämpötilasta 1050 °C:een nopeudella 10 K/min Isotermi 1050 °C:ssa 10 minuuttia
Näytteen massa	121,871 mg
Kalibrointistandardi	Safiiri, 55,203 mg

Ominaislämpökapasiteetin arviointi

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} määritetään vertailumenetelmällä vertailumateriaalia käyttäen, kuten esimerkiksi standardissa DIN EN ISO 11357 on kuvattu. Määrittämiseen tarvitaan kolme erillistä mittausta: vertailukäyrä, vertailumateriaali ja näyte.

Toistettavat vertailuarvon ja safiirin mittaukset ovat olennaisen tärkeitä, koska ne muodostavat perustan myöhemmälle laskennalle. Näiden tietojoukkojen perusteella saadaan tutkittavan materiaalin lämpötilariippuvainen_{Ominaislämpökapasiteetti (cp)Lämpökapasiteetti on materiaalikohtainen fysikaalinen suure, joka määräytyy näytteeseen syötetyn lämmön määrän ja siitä aiheutuvan lämpötilan nousun perusteella. Ominaislämpökapasiteetti suhteutetaan näytteen massayksikköön.cp-arvo}. Tulos tarjoaa perustan materiaalin karakterisoinnille ja sitä voidaan käyttää lähtöparametrina myöhemmissä termofysikaalisissa laskelmissa.

c_{p} = \frac{signal difference (sample - baseline)}{sample mass \cdot heating rate \cdot sensitivity}

Samalla suoritetaan mittaus magneettisella laitteistolla. TGA- ja DSC-signaalien yhdistelmä mahdollistaa magneettisen muutoksen erityisen selkeän ja luotettavan havaitsemisen.

Sinisellä on esitetty puhtaan raudan lämpötilariippuvainen cp-käyrä, punaisella kirjallisuudesta peräisin olevat cp-arvot ja vihreällä TGA-käyrä, joka kuvaa Curie-siirtymää sekä alfa-raudan muuttumista gamma-raudaksi. — Lämpötilasta riippuva_cp -käyrä (sininen), kirjallisuudessa mainitut_cp -arvot [1] (punainen), TGA-käyrä (vihreä).

Tulokset ja keskustelu

Puhtaan raudan mitattu ominaislämpökapasiteetti nousee aluksi odotetusti tasaisesti. Noin 700 °C:een asti kokeelliset arvot vastaavat erittäin hyvin kirjallisuustietoja. Tämä vahvistaa_cp-arvon määrittämisen luotettavuuden sekä STA 509 Jupiter^® -laitteen sopivuuden metallimateriaalien termofysikaalisiin mittauksiin.

Curie-muutoksen alueella_cp- käyrä osoittaa tyypillisen ilmiön, joka johtuu raudan ferromagneettisesta-paramagneettisesta siirtymästä. Huippulämpötila on noin 771 °C. Toinen muutosilmiö, kiinteän tilan muutos α-Fe → γ-Fe, näkyy 918 °C:ssa. Tämä toisen asteen Vaiheen siirtymätTermiä faasimuutos (tai faasimuutos) käytetään yleisimmin kuvaamaan siirtymiä kiinteän, nestemäisen ja kaasumaisen tilan välillä.faasimuutos aiheuttaa selvän muutoksen lämpökapasiteettikäyrässä ja mahdollistaa muutoslämpötilan määrittämisen.

Curie-pisteen itsenäinen määrittäminen TGA-menetelmällä

TGA-käyrä tallennettiin samanaikaisesti_{cp-mittauksen} kanssa magneettisella mittausjärjestelmällä. Ferromagneettisessa tilassa puhdas rauta on vuorovaikutuksessa kohdistetun magneettikentän kanssa. Curie-lämpötilassa rauta siirtyy paramagneettiseen tilaan, ja näytteeseen vaikuttava magneettisesti indusoitu voima muuttuu äkillisesti. TGA-käyrä osoittaa tämän seurauksena näennäisen massan kasvun.

Tämä signaali ei johdu todellisesta massan muutoksesta. Curie-lämpötilan alapuolella magneetti vetää näytettä puoleensa. Curie-lämpötilan yläpuolella rauta menettää ferromagneettiset ominaisuutensa; lisävoima ei enää vaikuta näytteeseen, ja tämä rekisteröityy muutoksena TGA-signaalissa.

TGA-signaalin ominaislämpötila korreloi erittäin hyvin_cp -käyrän Curie-muutoksen kanssa. Magneettinen järjestely tarjoaa siten riippumattoman vahvistuksen magneettiselle faasisiirtymälle. Ilman magneettikenttää tutkittavalla lämpötila-alueella ei odoteta merkittävää massan muutosta, koska näyte mitataan kaasutiiviissä järjestelmässä inertissä ilmakehässä, mikä sulkee pois hapettumiseen liittyvät tai muut massanmuutoksia aiheuttavat prosessit.

Keskeiset mittaustulokset

Samanaikaiset_cp- ja TGA-signaalit mahdollistavat puhtaan raudan magneettisten ja rakenteellisten muutosten luotettavan tulkinnan.

Kirjallisuussopimus

Mitatut_cp- arvot ovat hyvin yhdenmukaisia kirjallisuudessa esitettyjen arvojen kanssa noin 700 °C:n lämpötilaan asti.

Curie-muutos

Ferromagneettisen ja paramagneettisen tilan välinen siirtymä havaitaan noin 771 °C:n lämpötilassa_cp- ja TGA-signaaleissa.

Kiinteän tilan muutos

α-Fe → γ-Fe-muutos näkyy selväpiirteisenä_cp -ilmiönä 918 °C:ssa.

Johtopäätös

Raudan tutkimus osoittaa, että STA 509 Jupiter^® -laitteella voidaan määrittää ominaislämpökapasiteetti luotettavasti ja tarkasti. Mitatut_cp-arvot ovat erittäin hyvin yhdenmukaisia kirjallisuustietojen kanssa. Lisäksi Curie-muutos havaitaan samanaikaisesti_{cp-käyrästä} ja magneettijärjestelmän avulla myös TGA-käyrästä.

TGA-signaalin tyypillinen nousu Curie-lämpötilassa korreloi tiiviisti lämpökapasiteettikäyrän faasimuutoksen kanssa. Tämä yhdenmukaisuus tekee magneettisen faasimuutoksen näkyväksi kahdella toisistaan riippumattomalla signaalitasolla ja vahvistaa tulkinnan luotettavuutta.

Materiaalien karakterisoinnissa sopiva mittausjärjestely mahdollistaa lämpö- ja magneettisesti indusoitujen ilmiöiden tutkimisen yhdessä kokeessa. Tämä on erityisen merkityksellistä rautapohjaisten materiaalien ja magneettisten muutosten analysoinnin kannalta.

Lähteet

[1] NETZSCH-Gerätebau GmbH: NETZSCH Proteus^® -ohjelmisto, ”cp Standard – Pure Iron”, viitetiedot tallennettu vuonna 2006, haettu osoitteesta Proteus^® 11. kesäkuuta 2026, versio 9.9.0, Selb, Saksa.

Liittyvät laitteet

Tutustu STA 509 Jupiter^® -mittalaitteiden tuoteperheeseen, joka on tarkoitettu materiaalien karakterisointiin tarvittavien DSC- ja TGA-mittausten samanaikaiseen suorittamiseen.

STA 509 Jupiter^® Classic
Paras hinta-laatusuhde
- RT – 1600 °C
- SiC-uuni
- Vaakan erottelukyky: 0,1 μg
- Valinnainen 20-paikkainen ASC
STA 509 Jupiter^® Select
Räätälöity tarpeisiisi
- -150–2400 °C
- Valittavana 12 erilaista uunia
- Vaakan tarkkuus: 0,1 μg
- Valinnainen 20-paikkainen ASC tai^toinen uuni
STA 509 Jupiter^® Supreme
Laite huippusuorituskykyyn
- -150 °C – 2000 °C
- Valittavana 9 erilaista uunia
- Vaakan erottelukyky: 0,025 μg
- Valinnainen 20-paikkainen ASC tai^toinen uuni
STA 319 Jupiter^®
Mahdollistaa samanaikaisen lämpöanalyysin
- RT (10 °C) – 1025 °C/1100 °C näytteessä
- Robus-nopea lämmitys- ja jäähdytysuuni
- Vaakan erottelukyky: 20 ng
- Valinnainen 204-paikkainen ASC