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NETZSCH LFA 소프트웨어의 침투 모델 - 마침내 다공성 재료가 제대로 처리되었습니다!

소개

1961년 Parker 등이 레이저 플래시 방법을 개발한 이후[1], 비접촉, 비파괴 방식으로 열 확산도를 측정하기 위해 이 방법을 다양하게 개선해 왔습니다. 오늘날에는 하드웨어와 소프트웨어를 통해 다양한 시료의 기하학적 구조, 모양, 형태를 측정할 수 있어야 합니다. 레이저/광 플래시 장치(LFA)는 고체뿐만 아니라 분말, 액체, 부서진 시료 및 다공성 시료도 테스트할 수 있어야 합니다. 따라서 특정 시료 홀더와 같은 특정 하드웨어 전제 조건이 제공되어야 합니다. 또한 시료의 모양과 형태의 영향을 고려한 소프트웨어 모델은 열확산도(a), 열전도도(λ), 비열용량(비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp)의 정밀한 측정을 위해 점점 더 중요해지고 있습니다.

최근 몇 년 동안 NETZSCH 은 펄스 보정, 복사, 다층 시스템, 평면 내 테스트, 기준선 보정 등과 함께 열 손실을 고려한 계산 모델, 보정 및 수학적 연산을 지속적으로 개선 및 개발해 왔습니다. 이 애플리케이션 노트에서는 다공성 물질에 대한 측정을 위한 맥마스터[2]에 기반한 침투 모델을 소개합니다.

다공성 재료는 도전 과제이지만 침투 모델에는 적합하지 않습니다

표준 플래시 측정의 경우, 시료의 앞면이 전체 에너지를 흡수합니다. 그러면 열파는 시료의 두께를 통과하여 뒷면에 도달하기 전에 시료의 두께를 통과합니다(그림 1). 다공성 재료의 경우, NETZSCH 에서 다음과 같은 고려 사항을 포함하는 침투 모델(그림 2)을 도입했습니다:

  • 펄스 에너지 흡수가 더 이상 전면에만 국한되지 않습니다.
  • 흡수가 얇은 층을 통해 시료의 두께로 확장됩니다.
  • 흡수 층을 재료의 평균 자유 경로로 처리할 수 있습니다.

이러한 측면을 고려하면 시편 내 초기 온도 분포가 기하급수적으로 감소하는 결과를 얻을 수 있습니다. 재료의 다공성을 고려하는 이 접근 방식을 적용하면 열 확산도, 열 전도성 및 비열 용량 값의 정확도와 정밀도가 향상됩니다.

1) LFA 방법의 다이어그램
2) NETZSCH Proteus® LFA 소프트웨어에서 구현된 침투 모델

측정 조건

흑연 펠트 단열재는 실온과 90°C 사이에서 NETZSCH LFA 427과 비교를 위해 NETZSCH 열 유량계 HFM 436 Lambda 을 사용하여 측정했습니다. 시편 두께는 각각 5.4mm와 20mm였습니다. 밀도는 20°C에서 0.082g/cm3로 측정되었습니다.

측정 결과

그림 3은 a) 침투 모델을 기반으로 모니터링된 열 확산도의 진행 과정을 보여주는 LFA 측정 결과, b) POCO 흑연의 비열 용량에 대한 문헌 데이터, c) 방정식을 기반으로 계산된 열 전도도를 보여줍니다:

λ = а - ρ -비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp


λ = 열전도율
α = 열확산도
ρ = 밀도
비열 용량(cp)열용량은 시료에 공급된 열량을 결과 온도 상승으로 나눈 물질별 물리량으로, 시료에 공급된 열량에 의해 결정됩니다. 비열 용량은 시료의 단위 질량과 관련이 있습니다.cp = 비열 용량

LFA 측정은 먼저 표준 모델(Cowan, [3])을 사용하여 평가하고 두 번째로 침투 모델을 사용하여 평가했습니다. 그림 4는 서로 다른 계산 모델을 사용할 때 동일한 측정이 서로 다른 열전도도 결과를 산출한다는 것을 명확하게 보여줍니다. 어느 것이 더 나은 결과인지에 대한 질문은 신호 증가를 확인하면 답할 수 있습니다(그림 5).

그림 5는 감지기 신호의 상승을 보여줍니다. 왼쪽 그림은 표준 모델을 사용한 경우입니다. 표준 모델이 불충분한 모델 적합도를 산출한다는 것을 분명히 보여줍니다. 이 경우 열 확산도는 조사 대상 물질에 비해 너무 높은 값인 0.753mm2/s로 결정됩니다. 그러나 침투 모델(오른쪽 그림)을 기반으로 한 적합도를 사용하면 우수한 모델 적합도를 얻을 수 있습니다. 결과 열 확산도 값인 a = 0.626 mm2/s는 약 17% 더 낮으며, 향상된 적합도 덕분에 표준 Cowan 모델에서 얻은 값보다 훨씬 더 신뢰할 수 있습니다.

열전도도는 열확산도에 비례하므로 표준 소재의 경우에도 값이 더 높습니다. 침투 모델로 얻은 결과의 신뢰성은 동일한 재료에 대한 HFM 측정을 통해 확인됩니다. LFA와 HFM 결과는 잘 일치하며 최대 편차는 ±6% 미만입니다(그림 6).

3) 포코 그라파이트의 비열 용량에 대한 문헌 데이터와 함께 그라파이트 펠트 단열재의 LFA 측정
4) 포코 그라파이트의 비열 용량에 대한 문헌 데이터와 함께 그라파이트 펠트 단열재의 LFA 측정
5) 왼쪽: 관통하지 않고 레이저를 쏜 경우: 0.753mm²/s, 오른쪽: 투과 레이저 샷: 0.626 mm²/s
6) 표준 및 침투 모델(빨간색 곡선)과 HFM(파란색 곡선)을 사용하여 LFA를 통해 측정한 열전도도

결론

다양한 클래식 모델(예: Cowan 5/10, Parker, 개선된 Cape-Lehman 등)과 함께 NETZSCH LFA Proteus® 소프트웨어에는 다양한 계산 모델, 보정 및 수학적 연산이 포함되어 있습니다. 그 중 하나는 다공성 재료 및 표면이 거친 재료에 특히 적합한 침투 모델입니다. LFA Proteus® 소프트웨어의 이 특별한 기능은 실제 가열된 표면을 넘어 시편에 라이트 플래시가 침투하는 것을 포함합니다. 이 기능은 시료의 다공성을 고려하여 광 플래시 에너지의 일부가 시료 내부에 축적되도록 합니다. 즉, 침투 모델은 얇은 층을 통해 시편 두께로 펄스 에너지가 흡수되는 것을 고려합니다. 열유량계(HFM)와 같은 다른 신뢰할 수 있는 방법은 열확산도/전도도 계산을 위해 침투 모델을 적용하여 얻은 LFA 결과를 확인합니다.

Literature

  1. [1]
    W.J. Parker; R.J. 젠킨스; C.P. 버틀러; G.L. 애보트 (1961)."열 확산도, 열용량 및 열전도도 결정 방법 ". 응용 물리학저널 물리학. 32 (9): 1679.
  2. [2]
    맥 마스터스, 벡, 딘위디, 왕 (1999): "플래시 열 확산성 실험에서 레이저 가열의 침투에 대한 설명 ", 열전달 저널, 121, 15-21
  3. [3]
    코완, 로버트 D.; 응용 물리학 저널, 34권, 4호 (1 부), 1963 년 4 월