Inleiding
Softwaremodellen die rekening houden met de invloed van de vorm en het oppervlak van proefstukken worden steeds belangrijker voor de nauwkeurige bepaling van thermofysische eigenschappen (TPP) zoals 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 (a), 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) en 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). Daarom heeft NETZSCH zich de afgelopen jaren toegelegd op het voortdurend verbeteren van bestaande LFA-modellen (laser flash analysis) en op het ontwikkelen van nieuwe rekenmodellen, correcties en wiskundige bewerkingen die rekening houden met warmteverlies in combinatie met pulscorrectie, straling, meerlagige systemen, in-plane testen, basislijncorrecties, enz.
Deze toepassingsnotitie presenteert het penetratiemodel gebaseerd op McMasters [1]. Het is geschikt voor metingen aan materialen met ruwe oppervlakken en extreem poreuze materialen.
Poreuze materialen zijn een uitdaging - maar niet voor het penetratiemodel
Bij standaard flitsmetingen absorbeert de voorkant van het proefstuk de totale energie. Een thermische golf zal dan door de dikte van het proefstuk reizen voordat het de achterkant bereikt (figuur 1). Voor poreuze materialen heeft NETZSCH nu het penetratiemodel (afbeelding 2) geïntroduceerd dat de volgende overwegingen bevat:
- Absorptie van de pulsenergie is niet langer beperkt tot het voorvlak
- Absorptie wordt uitgebreid over een dunne laag in de dikte van het preparaat.
- Absorptielagen kunnen worden behandeld als de gemiddelde vrije weg in het materiaal
Rekening houden met deze aspecten resulteert in een exponentieel dalende initiële temperatuurverdeling binnen het preparaat. Toepassing van deze benadering, die rekening houdt met de porositeit van het materiaal, resulteert in een verbeterde nauwkeurigheid en precisie voor de waarden 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, 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 en 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.
Meetomstandigheden
Om de geschiktheid van het penetratiemodel te testen, werden twee gevulde polymeren van hetzelfde type maar met verschillende vormen gemeten. Eén meting werd uitgevoerd op een proefstuk met een oppervlak dat bedekt was met boorgaten met een diameter van 0,5 mm. Ter vergelijking werd een tweede meting uitgevoerd op het originele proefstuk met een glad oppervlak (figuur 3). 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 op proefstukken met een dikte van 12,7 mm en een diameter van 1,96 mm bij kamertemperatuur.
Meetresultaten
Figuren 4 en 5 tonen de meting aan het monster met boorgaten. In figuur 4 is de modelpassing van het stijgsignaal van de detector (rode curve) verkregen met behulp van het standaardmodel van Cowan [2]. De groene cirkel geeft het gebied aan met afwijkingen tussen de fit en de meetcurve (blauw). Met deze - duidelijk ontoereikende - modelpassing wordt 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 berekend op 0,753 mm2/s. De berekening op basis van het penetratiemodel geeft een 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 0,626 mm2/s, wat bijna 17% lager is in waarde (figuur 5).
Figuur 6 toont de toename van het detectorsignaal van de meting op de originele gevulde polymeerschijf met glad oppervlak. Door hier het standaard Cowan model te gebruiken voor het bepalen 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 worden bijna dezelfde meetresultaten verkregen als met het penetratiemodel voor het proefstuk met boorgaten (figuur 5). De afwijking bedraagt ongeveer 3%. Dit bewijst dat de berekening 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 op basis van het penetratiemodel correcte resultaten oplevert.
Conclusie
Naast de verschillende klassieke modellen (bijv. Cowan 5 /10, Parker, verbeterde Cape-Lehman, enz.) bevat de software NETZSCH LFA Proteus® veel verschillende rekenmodellen, correcties en wiskundige bewerkingen. Het penetratiemodel is specifiek geschikt voor poreuze materialen en materialen met een ruw oppervlak. Deze speciale functie van de LFA Proteus® software heeft betrekking op de penetratie van de lichtflits in het preparaat voorbij het eigenlijke verwarmde oppervlak. Het houdt rekening met de porositeit van het preparaat, waardoor veel van de energie van de lichtflits in het preparaat terechtkomt. Dit betekent dat het penetratiemodel rekening houdt met absorptie van de pulsenergie over een dunne laag in de dikte van het preparaat. Metingen aan monsters van hetzelfde preparaat, maar met zeer verschillende oppervlaktestructuren (glad vs. poreus), bevestigen de juistheid van het penetratiemodel.