소개
순철은 우수한 자기 및 열물리학적 특성으로 인해 효율적인 열 전달이 필수적인 전자기 부품에 자주 사용됩니다. 예를 들어 변압기 코어, 전기 모터, 유도 코일, 자기 및 열 스트레스가 모두 발생하는 전력 전자 부품 등이 있습니다. 따라서 부품을 안정적으로 설계하고 실제 조건에서 작동 거동을 정확하게 시뮬레이션하려면 넓은 온도 범위에서 열 특성을 정확하게 이해하는 것이 필수적입니다.
열전도율은 재료 내에서 열이 얼마나 효율적으로 전달되는지를 결정하기 때문에 열전도율에 대한 지식은 매우 중요합니다. 특히 전자기 부품과 같은 순수 철을 사용하는 애플리케이션에서는 온도 분포, 열 방출, 따라서 부품의 작동 안전과 서비스 수명에 직접적인 영향을 미칩니다. 열 방출이 불충분하면 국부적인 과열, 효율성 저하 또는 고장으로 이어질 수 있습니다. 따라서 열전도율에 대한 정확한 이해는 산업 시스템의 열 설계, 최적화 및 시뮬레이션에 필수적입니다.
방법 및 측정 조건
레이저 플래시 분석(LFA, 그림 1 참조)은 주로 재료의 열확산도(α)를 측정하는 데 사용됩니다. 밀도(ρ) 및 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)과 결합하면 열전도도(λ)를 계산할 수 있습니다(λ = α -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 - ρ).
측정하는 동안 시료의 바닥은 짧은 레이저 펄스에 의해 가열됩니다. 그 결과 반대쪽의 온도 상승은 적외선 감지기를 사용하여 감지됩니다. 그런 다음 시간 경과에 따른 이 온도 프로파일과 해당 수학적 모델을 기반으로 재료의 열 확산도를 결정할 수 있습니다.
용융 금속용 특수 사파이어 시료 홀더(그림 2 참조)를 사용하여 순수 철 시료의 열 확산도를 고체에서 액체 상태로 전환되는 동안 LFA 707 StratoFlash® Classic 으로 연속적으로 측정했습니다.
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)은 로듐 용광로가 장착된 DSC 500 Pegasus® 을 사용하여 실온에서 1600°C까지의 온도 범위에서 측정했습니다. 측정 조건은 표 1에 자세히 나와 있습니다.
표 1: LFA 측정 조건
| 온도 범위 | RT - 1600°C |
| 샘플 홀더 | 용융 금속용 사파이어 |
| 샘플 크기 | Ø 1.39 mm; 두께 ~ 1,4 mm; 평면 평행 표면 |
| 코팅 | 흑연 |
| 비열 용량 | DSC 500 사용 Pegasus® |
| 대기 | Ar |
| 가열 속도 | 가변 10~20K/min |
| 에너지 | 650V; 600μs |
결과 및 토론
그림 3은 퀴리 전이(≈770°C)를 포함한 순수 철의 일반적인 거동을 보여줍니다. 열 확산도(빨간색 곡선)와 비열 용량(검은색 곡선)은 이 지점에서 각각 국부적인 최소값과 최대값으로 뚜렷한 변화를 보입니다. 따라서 열확산도와 비열용량에서는 퀴리 전이를 명확하게 볼 수 있지만 열전도도(파란색 곡선)는 이 영역에서 아무런 영향을 미치지 않습니다. 1525°C 이상의 용융 범위에서는 격자 구조가 파괴되고 포논을 통한 열 수송이 더 이상 일어나지 않기 때문에 열 확산도와 열 전도도가 현저히 감소합니다.
요약
고체에서 액체까지: 특수 사파이어 샘플 홀더가 장착된 LFA 707 StratoFlash® Classic 을 사용하면 금속을 용융까지 연속적으로 특성화할 수 있습니다. 결과 데이터는 온도에 따른 열전도도 거동에 대한 귀중한 통찰력을 제공하여 극한의 작동 조건에서도 시뮬레이션, 재료 선택 및 부품 최적화를 위한 신뢰할 수 있는 기반을 형성합니다.