| Published: 

Warmtegeleidingscoëfficiënt van inhomogene vuurvaste materialen - LFA versus Hot Wire-methode

Inleiding

Thermofysische eigenschappen 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, specifieke warmte 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 zijn cruciale parameters voor het optimaliseren van de productie en toepassing van grove keramiek. Decennialang zijn dergelijke eigenschappen bepaald met stationaire methoden (bijv. de afgeschermde kookplaattechniek) of gestandaardiseerde transiënte technieken zoals de hot-wire methode volgens ISO 8894 (zie TCT 426 in figuur 1). Deze methoden zijn echter beperkt tot large monstergrootte en lage 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. Bovendien zijn deze methoden erg tijdrovend.

Flitsmethoden zijn contactloze meettechnieken en kunnen materialen met een hoge warmtegeleiding zonder problemen aan. Bovendien zijn flitsmethoden absolute methoden voor het bepalen van 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. Moderne instrumenten (zie LFA 427 in figuur 2) maken het vaak ook mogelijk om gelijktijdig de soortelijke warmte van een materiaal te meten, zodat 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 kan worden zonder aanvullende metingen. Omdat flitsmethoden beperkt zijn tot homogene monsters met small afmetingen, zijn deze methoden niet gebruikt voor het analyseren van inhomogene grove keramiek. Met behulp van de allernieuwste zeer gevoelige systemen is het nu echter mogelijk om grotere monsters te testen [1]. Bovendien maken de snelle testtijden van de flitsmethoden het mogelijk om zonder verdere inspanningen metingen uit te voeren op verschillende monsters van de baksteen. In het hier beschreven werk worden de resultaten van laserflits- en warmdraadmetingen aan een siliciumcarbidehoudende baksteen en een magnesia-spinelsteen vergeleken. Er werden metingen uitgevoerd op verschillende small monsters van hetzelfde materiaal om de homogeniteit van het materiaal en de reproduceerbaarheid van de methoden te controleren.

1) NETZSCH TCT 426
2) NETZSCH LFA 427

Testresultaten

Figuur 3 toont de resultaten van thermische geleidbaarheidsmetingen aan een magnesia-spinelsteen (figuur 4) met de LFA 427 en de TCT 426. De stippellijn vertegenwoordigt de gemiddelde waarden (foutbalk ±10%) van de gecombineerde gegevens van de twee verschillende methoden. Het is duidelijk te zien dat de meeste waarden van onafhankelijke LFA- en TCT-metingen binnen het ±10% bereik van het gemiddelde liggen. Dit illustreert de hoge nauwkeurigheid van beide systemen.

3) Warmtegeleidingsvermogen van de magnesia-spinelsteen; vergelijking van LFA- en TCT-testresultaten; 10% foutbalk voor de gemiddelde waarden van alle TCT/LFA-resultaten.
4) Magnesia-spinelsteen (85% MgO en 12% Al2O3), gemeten met de TCT 426 (links) en de LFA 427 (rechts); de 3 LFA monsters waren gecoat met grafiet.

Bovendien toont de afwijking tussen de verschillende monsters het mogelijke bereik 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 als gevolg van de inhomogeniteit van de magnesia-spinelsteen. Een soortgelijke vergelijking van LFA- en TCT-metingen aan siliciumcarbidehoudende baksteen (figuur 6) wordt getoond in figuur 5. Ook hier liggen de onafhankelijke meetwaarden allemaal binnen ±10% van de gemiddelde gegevens van de twee methoden samen.

5) Warmtegeleidingsvermogen van siliciumcarbide bevattende baksteen; vergelijking van LFA- en TCT-resultaten; 10% foutbalk voor de gemiddelde waarden van alle TCT/LFA-resultaten.
6) Siliciumcarbide houdende baksteen (45% Al2O3, 29% SiO2 en 25% Sic), gemeten met de TCT 426 (links) en LFA 427 (rechts); de 3 LFA monsters waren gecoat met grafiet.

Conclusie

De goede overeenkomst tussen de resultaten verkregen met de twee verschillende methoden laserflits en hete draad laten duidelijk zien dat beide methoden zeer geschikt zijn voor het analyseren van vuurvaste materialen met een hoge nauwkeurigheid. Het model NETZSCH LFA 427 biedt echter verschillende voordelen. Testresultaten kunnen snel en met een hoge nauwkeurigheid worden verkregen. De snelheid van meten compenseert de small monsterafmetingen, omdat er meer monsters getest kunnen worden met een hogere monsterdoorvoer. TCT-metingen zijn veel tijdrovender vanwege de enorme monsterdimensie en de lange stabilisatietijd. Er is echter veel vraag naar de hot-wire methode volgens ISO 8894 voor vuurvaste materialen.

Literature

  1. [1]
    J. Blumm, A. Lindemann: Thermophysical Properties Characterization of Coarse Ceramics Using the Transient Laser Flash Technique. J.G. Heinrich and and Aneziris, Proc 10th ECerS Conf., Göller Verlag, Baden-Baden, 2007, 205-211, ISBN: 3-87264-022.4