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입자 크기의 함수에 따른 금속의 열 확산성

소개

열전도도 λ와 함께 열확산도 a는 중요한 열물리학적 파라미터입니다. 정지 상태의 열 전달을 설명하는 열 전도도와 달리 열 확산도 α는 재료의 과도 열 전달에 대한 매개변수입니다. 열전도율을 계산하려면 비열 용량(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 ) 및 밀도(ρ) 외에 열확산도(a)가 필요합니다:

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

비열 용량은 화학 성분에 따라 달라집니다. 밀도는 재료의 거시적 구조(예: 기공)의 함수입니다. 열 확산도는 거시 구조에 따라 달라지지만 부분적으로는 시료의 미세 구조에 따라 달라집니다.

다음에서는 구리 시료의 열 확산도를 입자 크기의 함수로 표시했습니다. 일반적으로 입자 크기가 작을수록(=입자 경계가 많을수록) 열확산도가 낮아집니다. 적층 제조를 통해 생산된 구리 샘플의 구조는 상대적으로 짧은 가열 및 빠른 냉각 주기로 인해 많은 small 입자와 이에 따른 많은 입자 경계가 특징입니다. 샘플을 템퍼링(1000°C에서 1시간)하면 입자가 훨씬 더 커지고 입자 경계가 줄어든 구조가 생성됩니다. 미세 구조의 비교는 그림 1에 나와 있습니다.

1) 적층 제조로 생산된 고순도 구리 샘플(99.3%)의 구조. 왼쪽: 생산 직후 구리, 오른쪽: 강화 구리(1000°C에서 1시간)

측정 조건

두 구리 샘플의 상온에서 열확산도를 측정하기 위해 LFA 467 HyperFlash® 을 사용했습니다. LFA 샘플의 직경은 12.7 mm, 두께는 3mm였습니다. 구리 샘플의 방출 및 흡수 특성을 개선하기 위해 측정 전에 샘플을 불투명하지는 않지만 흑연으로 가볍게 코팅했습니다.

측정 결과

결과는 표 1에 요약되어 있습니다. 116.88mm²/s의 강화된 샘플은 117mm²/s의 순수 구리의 문헌 값에 거의 근접한 열 확산성을 보였습니다[1]. 더 작은 입자의 미세 구조를 가진 적층 제조 직후의 구리 샘플은 108.97mm²/s로 상당히 낮은 열 확산도를 보여줍니다.

결론

LFA는 접촉 저항의 방해 없이 미세 구조의 변화로 인한 차이와 같은 small 차이도 안정적으로 해결할 수 있는 비접촉 측정 방법입니다.

인정

구리 샘플의 적층 제조 및 템퍼링에 도움을 주신 Infinite Flex GmbH와 현미경 사진을 제공해 주신 바이로이트 대학교 금속학과에 감사의 말씀을 전합니다.

표 1: 상온에서 구조가 다른 순수 구리의 열 확산도

샘플열 확산도/mm²/s순수 구리의 문헌 값과의 편차
구리, 적층 제조 직후108.97-6.8%
구리, 템퍼링(1000°C에서 1시간)116.88-0.1%

Literature

  1. [1]
    Y.S. 툴루키안; 물질의 열물리학적 특성 - 10권 - 1부 - 열 확산성