耐火物の熱伝導率の測定 - 解決策：レーザーフラッシュ分析（LFA）によるLarge 試料の調査

はじめに

耐火物は、鉄鋼、ガラス、セラミック、セメント、化学、エネルギー工学で使用される機器を極端な温度、攻撃的な物質、機械的応力から保護するため、高温プロセスには不可欠です。例えば、加熱炉、原子炉、溶解タンクの内張りとして使用されます。ここで重要な材料特性は熱伝導率である。熱伝導率は、熱が周囲にどれだけ伝わるかを大きく左右し、プロセスのエネルギー効率に直接影響します。さらに、熱伝導率は熱応力、ひいては材料の耐用年数にも大きく影響します。

耐火物は、粒子が埋め込まれたマトリックスからなる不均質な材料です。熱伝導率などの熱物性を測定する場合、次のことが適用されます：試料が大きいほど、より代表的である。

耐火物の熱伝導率を測定することは、多くの測定システムにとって難題です。これは、一般的に1000℃を超える比較的高温であることと、材料の不均一性という2つの要因によるものです。

測定方法と測定条件

LFA 707StratoFlash Classic は、高温でも直径25.4 mmまでの試料を分析できる。LFA法では主に熱拡散率（α）を求め、密度（ρ）と比熱容量（_{比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp}）とともに、熱伝導率（λ）を以下の式で計算します：

λ = α -_{比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp}- ρ

LFA法では、レーザーの短いエネルギーパルスを用いて試料の前面を加熱します。試料の裏面の温度上昇は、赤外線（IR）検出器によって検出されます。そして、この温度上昇をもとに数学モデルを用いて熱伝導率を計算します。

比熱容量は、試料を参照試料と一緒に分析することによっても求めることができます。高温での比熱容量を測定する最も一般的な方法は示差走査熱量測定（DSC）です。しかし、直径5mm、厚さ1mmという一般的な試料サイズは、耐火物を代表するものではありません。

直径25.4 mmのLFA 707StratoFlash Classic のlarge 試料を用いると、ASTM E 1461に準拠した比較法により、熱拡散率だけでなく、代表的な試料の比熱容量を測定することができる。

測定条件の詳細は表1に示す。

表1：測定条件

結果と考察

図1は、室温から1400℃までの温度における2種類の耐火物（MgO系とAl₂O3系）の比熱容量を示す。予想通り、比熱容量は温度が上昇するにつれて増加する。1回目と2回目の加熱サイクルの間には、有意な差は見られません（±5%以内）。このことは、試料の化学的安定性を浮き彫りにしている（温度範囲にわたって分解やアウトガスがない）。

図2は、前述の式で計算した2つの素材の熱伝導率を示している。比熱容量とは対照的に、1回目と2回目の加熱サイクルでは明らかな違いが見られます。これらの違いは、試料内の構造変化（固体-固体相転移やマイクロクラックの形成など）によるものと考えられます。

概要

LFA 707StratoFlash Classic は、最大1600℃の温度範囲と直径25.4 mmまでのlarge 試料に対応できるため、耐火物のような不均質な材料の熱伝導率を測定するのに最適です。この装置では、比熱容量も代表的に測定できます。得られた熱伝導率は、高温プロセス用装置の設計やサイジングに不可欠です。