Introduzione
Dallo sviluppo del metodo del flash laser da parte di Parker et al. nel 1961 [1], sono stati apportati vari miglioramenti a questo metodo per la determinazione senza contatto e non distruttiva 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. Al giorno d'oggi, l'hardware e il software devono consentire di effettuare misure su campioni di diverse geometrie, forme e modalità. È diventato necessario che l'apparecchiatura laser/light flash (LFA) sia in grado di testare non solo i solidi, ma anche i campioni in polvere, liquidi, sbriciolati e porosi. Per questo motivo, è necessario prevedere alcuni prerequisiti hardware, come supporti specifici per i campioni. Inoltre, i modelli software che tengono conto dell'influenza della forma del campione stanno diventando sempre più importanti per la determinazione precisa 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 (a), della conducibilità termica (λ) e dellaCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica (Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp).
Negli ultimi anni, NETZSCH ha continuamente migliorato e sviluppato modelli di calcolo, correzioni e operazioni matematiche che tengono conto della perdita di calore in combinazione con la correzione degli impulsi, l'irraggiamento, i sistemi multistrato, le prove in piano, le correzioni della linea di base, ecc. Questa nota applicativa presenta il modello di penetrazione basato su McMasters [2] per le misure su materiali porosi.
I materiali porosi sono una sfida - ma non per il modello di penetrazione
Per le misure standard di flash, la faccia anteriore del campione assorbe l'energia totale. Un'onda termica attraversa quindi lo spessore del provino prima di raggiungere la faccia posteriore (figura 1). Per i materiali porosi, NETZSCH ha introdotto il modello di penetrazione (figura 2) che include le seguenti considerazioni:
- L'assorbimento dell'energia dell'impulso non è più limitato alla faccia anteriore.
- L'assorbimento si estende su uno strato sottile nello spessore del provino.
- Gli strati di assorbimento possono essere gestiti come il percorso libero medio nel materiale.
Tenendo conto di questi aspetti, si ottiene una distribuzione di temperatura iniziale a decadimento esponenziale all'interno del provino. L'applicazione di questo approccio, che tiene conto della porosità del materiale, consente di migliorare l'accuratezza e la precisione dei valori di 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 eCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica determinati.
Condizioni di misura
Un isolamento in feltro di grafite è stato misurato tra la temperatura ambiente e i 90°C con NETZSCH LFA 427 e, a scopo di confronto, con il misuratore di flusso di calore NETZSCH HFM 436 Lambda. Gli spessori dei provini erano rispettivamente di 5,4 mm e 20 mm. La densità è stata determinata pari a 0,082 g/cm3 a 20°C.
Risultati della misurazione
La Figura 3 mostra: a) i risultati delle misure LFA che dimostrano l'andamento 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 monitorata in base al modello di penetrazione, b) i dati di letteratura dellaCapacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione. capacità termica specifica della grafite POCO e c) la conducibilità termica calcolata in base all'equazione:
con
λ = 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
α = 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
ρ = densità
Capacità termica specifica (cp)La capacità termica è una grandezza fisica specifica del materiale, determinata dalla quantità di calore fornita al campione, divisa per l'aumento di temperatura risultante. La capacità termica specifica è correlata all'unità di massa del campione.cp = capacità termica specifica
La misura LFA è stata valutata prima con il modello standard (Cowan, [3]) e una seconda volta con il modello di penetrazione. La Figura 4 mostra chiaramente che la stessa misurazione produce risultati diversi di conducibilità termica quando si utilizzano modelli di calcolo diversi. La domanda su quale sia il risultato migliore può essere risolta controllando l'aumento del segnale (figura 5).
La figura 5 mostra l'aumento del segnale del rilevatore. Il grafico di sinistra mostra l'uso del modello standard. Indica chiaramente che il modello standard produce un adattamento insufficiente. In questo caso, 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 determinata a 0,753 mm2/s, un valore troppo elevato per il materiale in esame. Tuttavia, l'adattamento al modello risulta eccellente quando si utilizza un adattamento basato sul modello di penetrazione (grafico a destra). Il valore di 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 risultante, a = 0,626 mm2/s, è inferiore di circa il 17% e, grazie al migliore adattamento, molto più affidabile di quello ottenuto con il modello Cowan standard.
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 è proporzionale alla 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 quindi i valori sono più alti anche per i materiali standard. L'affidabilità dei risultati ottenuti con il modello di penetrazione è confermata dalle misure HFM sullo stesso materiale. I risultati LFA e HFM sono in buon accordo; la deviazione massima è inferiore a ±6% (figura 6).
Conclusione
Oltre ai vari modelli classic(ad esempio, Cowan 5/10, Parker, Cape-Lehman migliorato, ecc.), il software NETZSCH LFA Proteus® include molti modelli di calcolo, correzioni e operazioni matematiche diverse. Uno di questi è il modello di penetrazione, adatto in particolare ai materiali porosi e a quelli con superficie ruvida. Questa caratteristica speciale del software LFA Proteus® prevede la penetrazione del lampo di luce nel campione al di là della superficie riscaldata. Tiene conto della porosità del campione, che fa sì che una parte dell'energia del lampo di luce si depositi all'interno del campione. Ciò significa che il modello di penetrazione tiene conto dell'assorbimento dell'energia dell'impulso su uno strato sottile nello spessore del campione. Altri metodi affidabili come l'Heat Flow Meter (HFM) confermano i risultati LFA ottenuti applicando il modello di penetrazione per il calcolo della diffusività/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.