Inleiding
Sinds de ontwikkeling van de laserflitsmethode door Parker et al. in 1961 [1], zijn er verschillende verbeteringen aangebracht aan deze methode voor de contactloze, niet-destructieve bepaling 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. Tegenwoordig moeten hardware en software het mogelijk maken om metingen uit te voeren op verschillende monstergeometrieën, -vormen en -vormen. Het werd noodzakelijk dat het laser/lichtflitsapparaat (LFA) niet alleen vaste stoffen kon testen, maar ook poedervormige, vloeibare, verkruimelde en poreuze monsters. Om deze reden moeten er bepaalde hardwarevereisten zijn, zoals specifieke monsterhouders. Daarnaast worden softwaremodellen die rekening houden met de invloed van de vorm van het proefstuk steeds belangrijker voor de nauwkeurige bepaling 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 (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).
In de afgelopen jaren heeft NETZSCH voortdurend rekenmodellen, correcties en wiskundige bewerkingen verbeterd en ontwikkeld die rekening houden met warmteverlies in combinatie met pulscorrectie, straling, meerlaagse systemen, in-plane testen, basislijncorrecties, enz. Deze toepassingsnotitie presenteert het penetratiemodel gebaseerd op McMasters [2] voor metingen aan poreuze materialen.
Poreuze materialen zijn een uitdaging - maar niet voor het penetratiemodel
Voor 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. Het toepassen van deze benadering, die rekening houdt met de porositeit van het materiaal, resulteert in een verbeterde nauwkeurigheid en precisie 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 waarden.
Meetomstandigheden
Een isolatie van grafietvilt werd gemeten tussen kamertemperatuur en 90°C met de NETZSCH LFA 427 en, ter vergelijking, met de NETZSCH warmtestroommeter HFM 436 Lambda. De proefstukdikte bedroeg respectievelijk 5,4 mm en 20 mm. De DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid werd bepaald op 0,082 g/cm3 bij 20°C.
Meetresultaten
Figuur 3 toont: a) de LFA meetresultaten die het verloop van de gecontroleerde 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 laten zien, b) de literatuurgegevens 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 van POCO grafiet, en c) de berekende 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 op basis van de vergelijking:
met
λ = warmtegeleidingsvermogen
α = warmtediffusie
ρ = DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid
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 = 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
De LFA-meting werd eerst geëvalueerd met het standaardmodel (Cowan, [3]) en een tweede keer met het penetratiemodel. Figuur 4 laat duidelijk zien dat dezelfde meting verschillende warmtegeleidingsresultaten oplevert bij gebruik van verschillende rekenmodellen. De vraag welk resultaat beter is, kan beantwoord worden door de signaalstijging te bekijken (figuur 5).
Figuur 5 toont de toename van het detectorsignaal. De linkerplot toont het gebruik van het standaardmodel. Het geeft duidelijk aan dat het standaardmodel een onvoldoende model fit oplevert. In dit geval 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 bepaald op 0,753 mm2/s- een waarde die te hoog is voor het onderzochte materiaal. Er is echter een uitstekende model fit wanneer een fit gebaseerd op het penetratiemodel wordt gebruikt (rechter plot). De resulterende waarde 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, a = 0,626 mm2/s, is ongeveer 17% lager en, dankzij de verbeterde fit, veel betrouwbaarder dan de waarde die werd verkregen met het standaard Cowan model.
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 is evenredig met 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 en daarom zijn de waarden ook hoger voor standaardmaterialen. De betrouwbaarheid van de resultaten verkregen met het penetratiemodel wordt bevestigd door HFM metingen op hetzelfde materiaal. De LFA- en HFM-resultaten komen goed overeen; de maximale afwijking is minder dan ±6% (figuur 6).
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. Een daarvan is het penetratiemodel, dat specifiek geschikt is 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 een deel 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. Andere betrouwbare methoden zoals de warmtestromingsmeter (HFM) bevestigen de resultaten van LFA die verkregen zijn door het penetratiemodel toe te passen voor 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/geleiding.