Inleiding
Vuurvaste materialen zijn essentieel voor processen met hoge temperaturen, omdat ze apparatuur die wordt gebruikt in de staal-, glas-, keramiek-, cement-, chemische en energietechniek beschermen tegen extreme temperaturen, agressieve stoffen en mechanische spanning. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt als bekleding in ovens, reactoren en smelttanks. Een belangrijke materiaaleigenschap in deze context is de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid. Deze bepaalt in grote mate hoeveel warmte wordt overgedragen aan de omgeving, wat een directe invloed heeft op de energie-efficiëntie van het proces. Bovendien heeft de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid een aanzienlijk effect op thermische spanningen en dus op de levensduur van de materialen.
Vuurvaste materialen zijn inhomogene materialen die bestaan uit een matrix met ingebedde deeltjes. Bij het bepalen van thermofysische eigenschappen zoals het warmtegeleidingsvermogen geldt het volgende: Hoe groter het monster, hoe representatiever het is.
Het bepalen van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van vuurvaste materialen vormt een uitdaging voor veel meetsystemen. Dit komt door twee factoren: de relatief hoge temperaturen, meestal meer dan 1000°C, en de inhomogeniteit van de materialen.
Methode en metingen Voorwaarden
De LFA 707 StratoFlash®Classic kan monsters analyseren met een diameter tot 25,4 mm, zelfs bij hoge temperaturen. De LFA-methode bepaalt voornamelijk de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie (α) en samen met de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid (ρ) en de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit (Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp) wordt de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid (λ) berekend met de volgende formule:
Bij de LFA methode wordt de voorkant van een monster verwarmd met een korte energiepuls van een laser. De temperatuurstijging aan de achterkant van het monster wordt vervolgens gedetecteerd door een infrarooddetector (IR-detector). Wiskundige modellen worden dan gebruikt om de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid te berekenen op basis van deze temperatuurstijging.
De Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit kan ook worden bepaald als het monster samen met een referentiemonster wordt geanalyseerd. De meest gebruikelijke methode voor het bepalen van de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit bij hoge temperaturen is differentiële scanning calorimetrie (DSC). De typische afmetingen van monsters, met een diameter van 5 mm en een dikte van 1 mm, zijn echter niet representatief voor vuurvaste materialen.
Met behulp van de large monsters van de LFA 707 StratoFlash®Classic , met een diameter van 25,4 mm, is het niet alleen mogelijk om de Thermische diffusieThermische diffusie (a met de eenheid mm2/s) is een materiaalspecifieke eigenschap voor het karakteriseren van onstabiele warmtegeleiding. Deze waarde beschrijft hoe snel een materiaal reageert op een verandering in temperatuur.thermische diffusie te bepalen, maar ook de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit op een representatief monster met behulp van de vergelijkende methode volgens ASTM E 1461.
De meetomstandigheden staan in tabel 1.
Tabel 1: Meetomstandigheden
| Materiaal | 2 vuurvaste materialen op basis van MgO- en Al2O2-(dikte: ongeveer 3 mm) |
| Monsterhouder | Ø 25,4 mm, grafiet |
| Temperatuurprogramma | RT - 1400°C met 2 verhittingen |
| Afmeting monster | Overeenkomstig het materiaal, één monster met Ø 25,4 mm en een dikte van ~3 mm, planparallelle vlakken |
| Coating | Grafiet |
| Referentie voor Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.cp | POCO grafiet |
| Atmosfeer | Ar |
| Verwarmingssnelheid | variabel tot 20 K/min |
| Energie | 600 V; 600 μs |
Resultaten en discussie
Figuur 1 toont de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit van twee vuurvaste materialen (op basis van MgO en Al2O3) bij temperaturen van kamertemperatuur tot 1400°C. Zoals verwacht neemt de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit toe bij stijgende temperaturen. Er is geen significant verschil zichtbaar tussen de eerste en tweede verwarmingscyclus (binnen ±5%). Dit benadrukt de chemische stabiliteit van het monster (geen ontleding en/of uitgassing over het hele temperatuurbereik).
Figuur 2 toont de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van de twee materialen, berekend met de eerder genoemde formule. In tegenstelling tot de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit zijn er duidelijke verschillen tussen de eerste en tweede verwarmingscyclus. Deze verschillen zijn waarschijnlijk het gevolg van structurele veranderingen binnen het monster (bijv. vast-vaste FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergangen en/of vorming van microscheurtjes).
Samenvatting
De LFA 707 StratoFlash®Classic is ideaal voor het bepalen van de Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid van inhomogene materialen zoals vuurvaste materialen dankzij het temperatuurbereik tot 1600 °C en de mogelijkheid om large monsters met een diameter tot 25,4 mm op te nemen. Het apparaat kan ook op representatieve wijze de Specifieke warmtecapaciteit (cp)Warmtecapaciteit is een materiaalspecifieke fysische grootheid, bepaald door de hoeveelheid warmte die aan een proefstuk wordt toegevoerd, gedeeld door de resulterende temperatuurstijging. De specifieke warmtecapaciteit is gerelateerd aan een massa-eenheid van het proefstuk.specifieke warmtecapaciteit bepalen. De resulterende Thermische geleidbaarheidThermische geleidbaarheid (λ met de eenheid W/(m-K)) beschrijft het transport van energie - in de vorm van warmte - door een massa-lichaam als gevolg van een temperatuurgradiënt (zie fig. 1). Volgens de tweede wet van de thermodynamica stroomt warmte altijd in de richting van de lagere temperatuur.thermische geleidbaarheid is essentieel voor het ontwerpen en dimensioneren van apparatuur voor processen met hoge temperaturen.