소개
몰리브덴은 수십 년 동안 NIST[1]에서 비열 표준으로 사용되어 왔지만 열팽창, 열확산성, 열전도도 등의 특성에 대한 정보는 많지 않습니다. 문헌 [1, 2, 3, 4]에 따르면 순수 몰리브덴은 녹는점까지 상 변화를 보이지 않아야 합니다. 그러나 고온에서 산소에 민감하기 때문에 이는 매우 중요합니다. 몰리브덴 산화물은 증기압이 높기 때문에 일반적으로 표면 산화로 인해 물성이 변하지 않습니다. 형성된 산화물은 단순히 표면에서 증발합니다. 이러한 몰리브덴의 모든 특수한 특성 덕분에 몰리브덴은 다중 특성 표준 재료로 적합한 물질입니다.
실험적
열팽창, 밀도 변화, 비열 및 열 확산도와 같은 다양한 열물리학적 특성을 순수(99.99%) 몰리브덴 소재에서 측정했습니다. 열팽창을 측정하고 밀도 변화를 측정하기 위해 푸시로드 팽창 측정법(DIL)을 사용했습니다. 비열을 측정하기 위해 시차 주사 열량 측정법(DSC)을 사용했습니다. 열 확산도는 레이저 플래시 기법(LFA)을 사용하여 측정했습니다. 테스트 결과를 통해 열처리 시 재료의 거동에 대한 상세한 통찰력을 얻을 수 있었고 열전도율도 측정할 수 있었습니다. 모든 테스트 결과를 이용 가능한 문헌 데이터와 비교했습니다.
테스트는 원래 블록에서 준비된 다양한 샘플에 대해 수행되었으며 -125°C에서 1400°C 사이에서 측정되었습니다. 따라서 이 소재를 광범위한 온도 범위에서 다양한 열물리학적 특성에 대한 표준 소재 후보로 평가할 수 있었습니다.
순수 몰리브덴(99.99%)은 오스트리아 로이테의 Plansee SE에서 공급했습니다. 분석에는 직경 30mm, 길이 120mm의 large 블록이 사용되었습니다. 실린더 블록에서 다양한 테스트 기법을 위해 다양한 샘플을 준비했습니다. 각 측정 방법에 대해 두 개의 샘플을 준비하여 2~3회 테스트했습니다. 재료의 열 안정성과 균질성을 확인하고 테스트 결과의 반복성을 확인했습니다.
테스트 결과
그림 1은 두 번 측정한 두 가지 몰리브덴 시료에 대한 열팽창 측정 결과입니다. 샘플과 다른 실험 간의 데이터 산란은 일반적으로 ±1.5% 이내입니다. 사용된 기기의 정확도와 반복성, 표면 효과의 영향, 산화물 증발의 영향을 고려할 때 데이터의 산란은 허용 가능한 범위 내에 있습니다. 결과는 서로 다른 가열 실행 사이의 재료 불균일성이나 열팽창 값의 변화를 나타내지 않습니다.

그림 2는 온도에 따른 몰리브덴의 부피 팽창과 밀도 변화를 나타낸 것입니다. 부피 팽창은 측정된 열팽창으로부터 재료의 등방성 거동을 가정하여 모든 방향에서 동일한 팽창 거동을 가정하여 결정되었습니다. 밀도 계산은 부피 팽창과 실온 벌크 밀도인 10.216 g.cm-3을 기준으로 했습니다. 실온 벌크 밀도는 원래 제공된 샘플 블록에서 질량과 부피를 측정하여 결정했습니다.

그림 3은 차동 주사 열량계로 측정한 비열 값을 보여줍니다. 두 샘플 모두 저온 강철 용광로(-125°C~300°C)와 고온 백금 용광로(300°C~1275°C)에서 두 번 측정했습니다. 개별 결과 간의 편차는 ±2.0% 이내로, 테스트에 사용된 기기의 명시된 불확도 범위 내에 있었습니다. 이 값은 저온 범위에서 온도에 비해 강한 증가를 보여줍니다. 이러한 동작은 잘 알려진 데바이 이론[5]에 따라 예상할 수 있습니다. 고온에서는 값이 거의 선형적으로 증가합니다. 이는 고체 물리학(두롱과 쁘띠의 법칙, [5])과 완벽하게 일치하는 결과입니다. 이 온도 범위 내에서 중복 전이 또는 기타 열적 효과는 발견되지 않았으며, 이는 -125°C와 1275°C 사이에서 재료에서 상 변화가 발생하지 않음을 분명히 나타냅니다. 이는 관심 온도 범위에서 구조적 변화가 발생하지 않으므로 표준 재료로서의 조건을 충족합니다.

그림 4는 테스트에 사용된 다양한 플래시 장치에서 수집한 열 확산도 측정 결과를 보여줍니다. 온도에 따라 열 확산도가 감소하는 것을 분명히 알 수 있습니다. 이 감소는 600°C 이하에서 T-1 거동을 따르며 더 높은 온도에서 거의 선형적으로 감소합니다. 이러한 거동은 세라믹이나 흑연 재료와 같이 주로 포논 전도성 물질에서 일반적입니다. 따라서 이 금속 재료의 경우 열 전달에 대한 전자 기여도가 small 일 수 있습니다. 측정 결과의 산란은 실행마다 그리고 샘플마다 다르며 일반적으로 ±2% 이내입니다. 1000°C에서만 약간 더 높은 산란(±3%)이 나타났습니다. 이에 대한 가능한 설명은 이 온도 범위에서 몰리브덴 산화물의 증발이 시료 방사율에 영향을 미쳐 레이저 광의 흡수와 적외선의 방출에 영향을 미치기 때문일 수 있습니다.

그림 5는 측정된 밀도, 비열 및 열확산도를 곱하여 결정된 열전도도 결과입니다. 실온 이하의 밀도 데이터와 1275°C 이상의 비열은 측정된 데이터를 선형 추정하여 결정되었습니다. 열전도도는 열확산도의 온도 의존성을 따른다는 것을 분명히 알 수 있습니다. 문헌 값[6]과의 비교도 이루어졌습니다. 문헌 값의 정확도가 5%이고 측정값의 불확실성이 3%라고 가정했을 때, 결과는 매우 잘 일치합니다.

결론
고순도 몰리브덴에 대한 다양한 열물리 특성(열팽창, 밀도 변화, 비열, 열확산도, 열전도도)을 측정했습니다. 문헌 값과의 비교를 통해 측정 결과의 품질과 재료의 신뢰성을 확인할 수 있었습니다. 테스트 결과를 통해 순수 몰리브덴은 1200°C 이상의 고온까지 표준 재료로 사용할 수 있는 합리적인 후보가 될 수 있다고 추정할 수 있습니다. 다양한 열물리학적 특성에 대한 교정 표준으로 사용될 수 있습니다. 다양한 실험실과 시험 기관에서 추가 테스트를 통해 이 소재의 성능을 입증할 수 있을 것으로 기대됩니다.