Introduzione
Il molibdeno è disponibile come standard di calore specifico presso il NIST [1] da diversi decenni, anche se non sono disponibili molte informazioni sulle proprietà quali l'espansione termica, la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica e la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica. Secondo la letteratura [1, 2, 3, 4], il molibdeno puro non dovrebbe presentare cambiamenti di fase fino al Temperature di fusione ed entalpieL'entalpia di fusione di una sostanza, nota anche come calore latente, è una misura dell'apporto di energia, tipicamente calore, necessario per convertire una sostanza dallo stato solido a quello liquido. Il punto di fusione di una sostanza è la temperatura alla quale essa cambia stato da solido (cristallino) a liquido (fusione isotropa).punto di fusione. Tuttavia, questo aspetto è critico perché il molibdeno è sensibile all'ossigeno a temperature elevate. A causa dell'elevata pressione di vapore degli ossidi di molibdeno, il materiale non cambia generalmente proprietà a causa dell'OssidazioneL'ossidazione può descrivere diversi processi nel contesto dell'analisi termica.ossidazione superficiale. Gli ossidi formati evaporano semplicemente dalla superficie. Tutte queste proprietà speciali del molibdeno lo rendono una sostanza ragionevole per un materiale standard multi-proprietà.
Sperimentale
La misurazione di diverse proprietà termofisiche come l'espansione termica, la variazione di densità, il calore specifico e la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica è stata effettuata su un materiale di molibdeno puro (99,99%). Per la misurazione dell'espansione termica e la determinazione della variazione di densità è stata utilizzata la dilatometria a spinta (DIL). La calorimetria a scansione differenziale (DSC) è stata utilizzata per misurare il calore specifico. La Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica è stata determinata con la tecnica del flash laser (LFA). I risultati dei test consentono di conoscere in dettaglio il comportamento del materiale sotto trattamento termico ed è stato possibile determinare anche la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica. Tutti i risultati dei test sono stati confrontati con i dati disponibili in letteratura.
Le prove sono state eseguite su diversi campioni preparati dal blocco originale e misurate tra -125°C e 1400°C. Pertanto, è stato possibile valutare questo materiale come possibile candidato a materiale standard per diverse proprietà termofisiche in un ampio intervallo di temperature.
Il molibdeno puro (99,99%) è stato fornito da Plansee SE, Reutte, Austria. Per l'analisi è stato utilizzato un blocco large di 30 mm di diametro e 120 mm di lunghezza. Dal blocco cilindrico sono stati preparati diversi campioni per le varie tecniche di prova. Per ogni metodo di misurazione, sono stati preparati due campioni e testati due o tre volte. Sono state controllate la Stabilità termicaUn materiale è termicamente stabile se non si decompone sotto l'influenza della temperatura. Un modo per determinare la stabilità termica di una sostanza è quello di utilizzare un TGA (analizzatore termogravimetrico). stabilità termica e l'omogeneità del materiale ed è stata determinata la ripetibilità dei risultati delle prove.
Risultati del test
Nella figura 1 sono riportati i risultati dell'espansione termica misurata per i due diversi campioni di molibdeno, misurati due volte. La dispersione dei dati tra i campioni e i diversi esperimenti è generalmente compresa entro ±1,5%. Considerando l'accuratezza e la ripetibilità dello strumento impiegato, le influenze degli effetti superficiali e l'impatto dell'evaporazione degli ossidi, la dispersione dei dati è in un intervallo accettabile. I risultati non forniscono alcuna indicazione di disomogeneità del materiale o di variazioni nei valori di espansione termica tra i diversi riscaldamenti.
Nella figura 2 sono rappresentate l'Espansione volumetricaIl volume di un gas, di un solido o di un liquido cambia se cambiano la temperatura, la pressione o le forze che agiscono su quel gas/solido/liquido. Nel caso dell'analisi termica, si tratta di variazioni dipendenti dalla temperatura.espansione volumetrica e la variazione di densità del molibdeno in funzione della temperatura. L'Espansione volumetricaIl volume di un gas, di un solido o di un liquido cambia se cambiano la temperatura, la pressione o le forze che agiscono su quel gas/solido/liquido. Nel caso dell'analisi termica, si tratta di variazioni dipendenti dalla temperatura.espansione volumetrica è stata determinata in base all'espansione termica misurata, assumendo un comportamento isotropo del materiale e quindi lo stesso comportamento di espansione in tutte le direzioni. Il calcolo della densità si è basato sull'Espansione volumetricaIl volume di un gas, di un solido o di un liquido cambia se cambiano la temperatura, la pressione o le forze che agiscono su quel gas/solido/liquido. Nel caso dell'analisi termica, si tratta di variazioni dipendenti dalla temperatura.espansione volumetrica e sulla densità apparente a temperatura ambiente di 10,216 g.cm-3 . La densità apparente a temperatura ambiente è stata determinata dal blocco campione fornito in origine misurando massa e volume.
La Figura 3 mostra i valori di calore specifico misurati con il calorimetro a scansione differenziale. Anche in questo caso, entrambi i campioni sono stati misurati due volte nel forno di acciaio a bassa temperatura (da -125°C a 300°C) e nel forno di platino ad alta temperatura (da 300°C a 1275°C). La deviazione tra i singoli risultati era compresa tra ±2,0% e quindi di gran lunga entro l'incertezza dichiarata dello strumento utilizzato per i test. I valori mostrano un forte aumento rispetto alla temperatura nell'intervallo di bassa temperatura. Questo comportamento è prevedibile in base alla nota teoria di Debye [5]. Alle alte temperature, i valori aumentano in modo quasi lineare. Ciò è in perfetto accordo con la fisica dello stato solido (regola di Dulong e Petit, [5]). In questo intervallo di temperatura non sono state rilevate transizioni sovrapposte o altri effetti termici, indicando chiaramente che non si verifica alcun cambiamento di fase nel materiale tra -125°C e 1275°C. Questo soddisfa la condizione di materiale standard, poiché non si verificano cambiamenti strutturali nell'intervallo di temperatura di interesse.
La Figura 4 mostra i risultati delle misure della Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica raccolte dai diversi dispositivi flash utilizzati per i test. Si nota chiaramente che la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica diminuisce in funzione della temperatura. La diminuzione segue il comportamento T-1 al di sotto dei 600°C, con una diminuzione quasi lineare a temperature più elevate. Questo comportamento è tipico dei materiali a conduzione prevalentemente fonetica, come la ceramica o la grafite. Pertanto, è possibile che il contributo degli elettroni al trasferimento di calore sia small per questo materiale metallico. La dispersione della misura varia da un'analisi all'altra e da un campione all'altro ed è generalmente compresa entro il ±2%. Solo a 1000°C è stata ottenuta una dispersione leggermente superiore (±3%). Una possibile spiegazione potrebbe essere l'evaporazione degli ossidi di molibdeno in questo intervallo di temperatura, che influenza l'emissività dei campioni e quindi l'assorbimento della luce laser e l'emissione di luce infrarossa.
Nella figura 5 sono riportati i risultati della conducibilità termica determinata moltiplicando la densità, il calore specifico e la Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica misurati. I dati relativi alla densità al di sotto della temperatura ambiente e al calore specifico al di sopra dei 1275°C sono stati determinati mediante un'estrapolazione lineare dei dati misurati. Si può chiaramente notare che la Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica segue la dipendenza dalla temperatura della Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica. È stato inoltre effettuato un confronto con i valori di letteratura [6]. Assumendo un'accuratezza del 5% dei valori di letteratura e un'incertezza del 3% dei valori basati sulla misurazione, i risultati sono in ottimo accordo.
Conclusione
Diverse proprietà termofisiche (espansione termica, variazione di densità, calore specifico, Diffusività termicaLa diffusività termica (a con unità di misura mm2/s) è una proprietà specifica del materiale per caratterizzare la conduzione termica instabile. Questo valore descrive la velocità con cui un materiale reagisce a una variazione di temperatura.diffusività termica, Conduttività termicaLa conducibilità termica (λ con unità di misura W/(m-K)) descrive il trasporto di energia - sotto forma di calore - attraverso un corpo di massa come risultato di un gradiente di temperatura (vedi fig. 1). Secondo la seconda legge della termodinamica, il calore fluisce sempre nella direzione della temperatura più bassa.conduttività termica) sono state misurate su molibdeno di elevata purezza. Il confronto con i valori della letteratura indica la qualità dei risultati delle misure e l'affidabilità del materiale. Dai risultati dei test si può ipotizzare che il molibdeno puro possa essere un candidato ragionevole per essere utilizzato come materiale standard fino a temperature elevate, superiori ai 1200°C.libraPuò essere utilizzato come standard per diverse proprietà termofisiche. Ulteriori test in diversi laboratori e istituti di prova sarebbero graditi per dimostrare la capacità del materiale.