Inleiding
Molybdeen is al tientallen jaren beschikbaar als een specifieke warmtestandaard van NIST [1], hoewel er niet veel informatie beschikbaar is over de eigenschappen zoals thermische uitzetting, 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 en 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. Volgens de literatuur [1, 2, 3, 4] mag zuiver molybdeen tot het Smelttemperaturen en -getallenDe enthalpie van fusie van een stof, ook wel latente warmte genoemd, is een maat voor de energie-input, meestal warmte, die nodig is om een stof om te zetten van vaste naar vloeibare toestand. Het smeltpunt van een stof is de temperatuur waarbij de toestand verandert van vast (kristallijn) naar vloeibaar (isotroop smeltpunt).smeltpunt geen faseveranderingen vertonen. Dit is echter kritisch omdat het gevoelig is voor zuurstof bij hoge temperaturen. Door de hoge dampdruk van de molybdeenoxiden verandert het materiaal over het algemeen niet van eigenschappen door OxidatieOxidatie kan verschillende processen beschrijven in de context van thermische analyse.oxidatie aan het oppervlak. De gevormde oxiden verdampen gewoon van het oppervlak. Al deze speciale eigenschappen van molybdeen maken het een redelijke stof voor een standaardmateriaal met meerdere eigenschappen.
Experimenteel
Metingen van verschillende thermofysische eigenschappen zoals thermische uitzetting, dichtheidsverandering, soortelijke warmte en 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 werden uitgevoerd op een zuiver (99,99%) molybdeenmateriaal. Pushrod dilatometrie (DIL) werd gebruikt voor het meten van de thermische uitzetting en het bepalen van de dichtheidsverandering. Differentiële scanning calorimetrie (DSC) werd gebruikt om de soortelijke warmte te meten. 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 werd bepaald met de laser flash techniek (LFA). De testresultaten geven een gedetailleerd inzicht in het gedrag van het materiaal onder thermische behandeling en het was ook mogelijk 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 bepalen. Alle testresultaten werden vergeleken met beschikbare literatuurgegevens.
Er werden tests uitgevoerd op verschillende monsters die bereid waren uit het originele blok en gemeten werden tussen -125°C en 1400°C. Daarom was het mogelijk om dit materiaal te evalueren als een mogelijke kandidaat voor een standaardmateriaal voor verschillende thermofysische eigenschappen over een breed temperatuurbereik.
Het zuivere molybdeen (99,99%) werd geleverd door Plansee SE, Reutte, Oostenrijk. Voor de analyse werd een blok van large gebruikt met een diameter van 30 mm en een lengte van 120 mm. Van het cilinderblok werden verschillende monsters geprepareerd voor de verschillende testtechnieken. Voor elke meetmethode werden twee monsters geprepareerd en twee tot drie keer getest. De Thermische stabiliteitEen materiaal is thermisch stabiel als het niet ontleedt onder invloed van temperatuur. Een manier om de thermische stabiliteit van een stof te bepalen is door een TGA (thermogravimetrische analyser) te gebruiken. thermische stabiliteit en de homogeniteit van het materiaal werden gecontroleerd en de herhaalbaarheid van de testresultaten werd bepaald.
Testresultaten
In figuur 1 staan de gemeten thermische uitzettingsresultaten voor de twee verschillende molybdeenmonsters die tweemaal zijn gemeten. Dataspreiding tussen de monsters en de verschillende experimenten zijn over het algemeen binnen ±1,5%. Gezien de nauwkeurigheid en herhaalbaarheid van het gebruikte instrument, de invloeden van oppervlakte-effecten en de invloed van de VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping van oxiden, ligt de verstrooiing van de gegevens binnen een acceptabel bereik. De resultaten geven geen indicatie van materiaal inhomogeniteiten of veranderingen in de thermische uitzettingswaarden tussen de verschillende verhittingsruns.
Afgebeeld in figuur 2 zijn de Volumetrische expansieHet volume van een gas, vaste stof of vloeistof verandert als de temperatuur, de druk of de krachten die op dat gas/vaste stof/vloeistof inwerken, veranderen. In het geval van thermische analyse kijken we naar temperatuurafhankelijke veranderingen.volumetrische uitzetting en de dichtheidsverandering van molybdeen versus temperatuur. De Volumetrische expansieHet volume van een gas, vaste stof of vloeistof verandert als de temperatuur, de druk of de krachten die op dat gas/vaste stof/vloeistof inwerken, veranderen. In het geval van thermische analyse kijken we naar temperatuurafhankelijke veranderingen.volumetrische uitzetting werd bepaald op basis van de gemeten thermische uitzetting, uitgaande van een isotroop gedrag van het materiaal en dus hetzelfde uitzettingsgedrag in alle richtingen. De berekening van de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid werd gebaseerd op de Volumetrische expansieHet volume van een gas, vaste stof of vloeistof verandert als de temperatuur, de druk of de krachten die op dat gas/vaste stof/vloeistof inwerken, veranderen. In het geval van thermische analyse kijken we naar temperatuurafhankelijke veranderingen.volumetrische uitzetting en de bulkdichtheid bij kamertemperatuur van 10,216 g.cm-3. De bulkdichtheid bij kamertemperatuur werd bepaald op basis van het oorspronkelijk geleverde monsterblok door massa en volume te meten.
Figuur 3 toont de specifieke warmtewaarden gemeten met de differentiële scanning calorimeter. Ook hier werden beide monsters twee keer gemeten in de laagtemperatuur staaloven (-125°C tot 300°C) en in de hoogtemperatuur platina oven (300°C tot 1275°C). De afwijking tussen de individuele resultaten was binnen ±2,0% en dus ruim binnen de opgegeven onzekerheid van het instrument dat voor de tests werd gebruikt. De waarden tonen een sterke toename versus temperatuur in het lage temperatuurbereik. Dit gedrag kan worden verwacht volgens de bekende Debye theorie [5]. Bij hoge temperaturen nemen de waarden bijna lineair toe. Dit is in perfecte overeenstemming met de vaste stof fysica (regel van Dulong en Petit, [5]). Er werden geen overlappende overgangen of andere thermische effecten gedetecteerd binnen dit temperatuurbereik, wat duidelijk aangeeft dat er geen faseverandering optreedt in het materiaal tussen -125°C en 1275°C. Dit voldoet aan de voorwaarde als standaardmateriaal omdat er geen structuurveranderingen optreden in het betreffende temperatuurbereik.
Figuur 4 toont de meetresultaten voor 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 van de verschillende flitsers die voor de tests gebruikt werden. Het is duidelijk te zien dat 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 afneemt ten opzichte van de temperatuur. De afname volgt het T-1 gedrag onder 600 °C, resulterend in een bijna lineaire afname bij hogere temperaturen. Een dergelijk gedrag is typisch voor materialen die voornamelijk fononen geleiden, zoals keramische materialen of grafietmaterialen. Daarom kan het zijn dat de elektronenbijdrage aan de warmteoverdracht small is voor dit metaalachtige materiaal. De verstrooiing van de meting varieert van run tot run en van monster tot monster en ligt over het algemeen binnen ±2%. Alleen bij 1000°C werd een iets hogere verstrooiing (±3%) verkregen. Een mogelijke verklaring hiervoor is de VerdampingDe verdamping van een element of verbinding is een faseovergang van de vloeibare fase naar damp. Er bestaan twee soorten verdamping: verdamping en koken.verdamping van molybdeenoxiden in dit temperatuurbereik die de emissiviteit van het monster beïnvloedt en daardoor de absorptie van laserlicht en de emissie van infrarood licht.
In figuur 5 staan de resultaten 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 bepaald door vermenigvuldiging van de gemeten DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid, soortelijke warmte en 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. De dichtheidsgegevens onder kamertemperatuur en de soortelijke warmte boven 1275°C werden bepaald door lineaire extrapolatie van de gemeten gegevens. Het is duidelijk te zien dat 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 de temperatuurafhankelijkheid van 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 volgt. Er is ook een vergelijking gemaakt met literatuurwaarden [6]. Uitgaande van 5% nauwkeurigheid van de literatuurwaarden en 3% onzekerheid van de waarden gebaseerd op de meting, komen de resultaten zeer goed overeen.
Conclusie
Verschillende thermofysische eigenschappen (thermische uitzetting, dichtheidsverandering, soortelijke warmte, 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, 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) werden gemeten aan hoogzuiver molybdeen. De vergelijking met literatuurwaarden gaf de kwaliteit van de meetresultaten en de betrouwbaarheid van het materiaal aan. Op basis van de testresultaten kan worden aangenomen dat zuiver molybdeen een redelijke kandidaat is om te worden gebruikt als standaardmateriaal tot hoge temperaturen boven 1200 °C. Het kan worden gebruikt als ijkstandaard voor verschillende thermofysische eigenschappen. Verdere tests in verschillende laboratoria en testinstituten zouden op prijs worden gesteld om de mogelijkheden van het materiaal aan te tonen.