Introduction
Les modèles logiciels qui prennent en compte l'influence de la forme et de la surface des échantillons sont de plus en plus importants pour la détermination précise des propriétés thermophysiques (PPT) telles que la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique (a), la Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique (λ) et la capacité calorifique spécifique (Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.cp). C'est pourquoi, ces dernières années, NETZSCH s'est engagé à améliorer continuellement les modèles LFA (laser flash analysis) existants et à développer de nouveaux modèles de calcul, des corrections et des opérations mathématiques tenant compte de la perte de chaleur en combinaison avec la correction d'impulsion, le rayonnement, les systèmes multicouches, les essais en plan, les corrections de base, etc.
Cette note d'application présente le modèle de pénétration basé sur McMasters [1]. Il convient pour les mesures sur les matériaux à surface rugueuse et sur les matériaux extrêmement poreux.
Les matériaux poreux sont un défi - mais pas pour le modèle de pénétration
Dans les mesures de flash standard, la face avant de l'échantillon absorbe l'énergie totale. Une onde thermique traverse alors l'épaisseur de l'échantillon avant d'atteindre la face arrière (figure 1). Pour les matériaux poreux, NETZSCH a introduit le modèle de pénétration (figure 2) qui tient compte des considérations suivantes :
- L'absorption de l'énergie de l'impulsion n'est plus limitée à la face avant
- L'absorption s'étend sur une fine couche dans l'épaisseur de l'échantillon.
- Les couches d'absorption peuvent être traitées comme le libre parcours moyen dans le matériau
La prise en compte de ces aspects se traduit par une distribution initiale de la température à décroissance exponentielle à l'intérieur de l'échantillon. L'application de cette approche, qui tient compte de la porosité du matériau, permet d'améliorer l'exactitude et la précision des valeurs de Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique, de Conductivité thermiqueLa conductivité thermique (λ avec l'unité W/(m-K)) décrit le transport d'énergie - sous forme de chaleur - à travers un corps de masse sous l'effet d'un gradient de température (voir fig. 1). Selon la deuxième loi de la thermodynamique, la chaleur s'écoule toujours dans la direction de la température la plus basse.conductivité thermique et de Capacité thermique spécifique (cp)La capacité thermique est une grandeur physique spécifique au matériau, déterminée par la quantité de chaleur fournie à l'échantillon, divisée par l'augmentation de température qui en résulte. La capacité thermique spécifique est liée à une unité de masse de l'échantillon.capacité thermique spécifique déterminées.
Conditions de mesure
Pour tester l'adéquation du modèle de pénétration, deux polymères remplis du même type mais de formes différentes ont été mesurés. Une mesure a été effectuée sur un échantillon dont la surface était recouverte de trous de 0,5 mm de diamètre. Pour des raisons de comparaison, une deuxième mesure a été effectuée sur l'échantillon original avec une surface lisse (figure 3). La Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique a été déterminée sur des échantillons de 12,7 mm d'épaisseur et de 1,96 mm de diamètre à température ambiante.
Résultats des mesures
Les figures 4 et 5 illustrent les mesures effectuées sur l'échantillon comportant des trous de forage. Dans la figure 4, l'ajustement du modèle du signal de montée du détecteur (courbe rouge) est obtenu en utilisant le modèle standard de Cowan [2]. Le cercle vert indique la zone de déviation entre l'ajustement et la courbe de mesure (bleue). Avec cet ajustement - manifestement insuffisant - du modèle, la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique est calculée à 0,753 mm2/s. Le calcul basé sur le modèle de pénétration donne une Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique de 0,626 mm2/s, soit une valeur inférieure de près de 17 % (figure 5).
La figure 6 montre l'augmentation du signal du détecteur à partir de la mesure sur le disque de polymère rempli d'origine avec une surface lisse. L'utilisation du modèle standard de Cowan pour la détermination de la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique donne pratiquement les mêmes résultats de mesure que ceux obtenus avec le modèle de pénétration pour l'échantillon avec trous de forage (figure 5). L'écart est d'environ 3 %. Cela prouve que le calcul de la Diffusivité thermiqueLa diffusivité thermique (a avec l'unité mm2/s) est une propriété propre au matériau qui permet de caractériser la conduction thermique instable. Cette valeur décrit la rapidité avec laquelle un matériau réagit à un changement de température.diffusivité thermique basé sur le modèle de pénétration donne des résultats corrects.
Conclusion
Outre les différents modèles classiques (Cowan 5 /10, Parker, Cape-Lehman amélioré, etc.), le logiciel NETZSCH LFA Proteus® comprend un grand nombre de modèles de calcul, de corrections et d'opérations mathématiques. Le modèle de pénétration est particulièrement adapté aux matériaux poreux et aux matériaux à surface rugueuse. Cette fonction spéciale du logiciel LFA Proteus® implique la pénétration de l'éclair lumineux dans l'échantillon au-delà de la surface chauffée. Elle tient compte de la porosité de l'échantillon, qui fait qu'une grande partie de l'énergie de l'éclair lumineux se dépose à l'intérieur de l'échantillon. Cela signifie que le modèle de pénétration tient compte de l'absorption de l'énergie de l'impulsion sur une fine couche dans l'épaisseur de l'échantillon. Les mesures effectuées sur des échantillons du même spécimen, mais avec des structures de surface très différentes (lisse ou poreuse), confirment l'exactitude du modèle de pénétration.