Thermofysische karakterisering van een neodymiumlegering

Inleiding

Neodymiumlegeringen zijn essentiële materialen voor moderne hoogwaardige toepassingen. Ze worden met name gebruikt als basis voor hoogwaardige permanente magneten in elektromotoren, generatoren, windturbines, sensoren en harde schijven. Naast de magnetische eigenschappen spelen ook de thermofysische kenmerken van neodymiumlegeringen een doorslaggevende rol. Bij hoge vermogensdichtheden en stijgende bedrijfstemperaturen hebben de thermische diffusiviteit, 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 en 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 aanzienlijke invloed op het thermische gedrag van een materiaal. Deze eigenschappen zijn essentieel voor een efficiënt thermisch beheer, het voorkomen van lokale oververhitting en het waarborgen van de materiaal- en functionele stabiliteit op lange termijn.

Kennis van de thermische diffusiviteit is hierbij van bijzonder belang, aangezien deze beschrijft hoe snel een temperatuurverandering zich binnen het materiaal voortplant. In combinatie met de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid 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 kan hieruit 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 worden bepaald – een centrale parameter voor het ontwerpen van thermisch belaste componenten.

Methode en meetomstandigheden

De thermofysische eigenschappen van de neodymiumlegering werden bepaald met behulp van de LFA 717 HyperFlash^® HT. Laserflitsanalyse is een van de meest beproefde methoden voor het meten van 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 wordt gekenmerkt door hoge precisie en korte meettijden. Tijdens de meting wordt het vooroppervlak van het monster geëxciteerd door een korte energiepuls, en wordt de daaruit voortvloeiende temperatuurstijging aan het achteroppervlak geregistreerd zonder dat er contact is met een infrarooddetector. Op basis van een wiskundige curvefit wordt de thermische diffusiviteit bepaald uit het gemeten signaal.

Naast de thermische diffusiviteit werd 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 bepaald met LFA volgens de vergelijkingsmethode. Hiervoor werd een koperen referentiemateriaal met bekende thermofysische eigenschappen gebruikt. Op basis van de thermische diffusiviteit, 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 en de DichtheidDe massadichtheid wordt gedefinieerd als de verhouding tussen massa en volume. dichtheid werd vervolgens 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 berekend. De exacte meetomstandigheden zijn te vinden in tabel 1.

Tabel 1: Meetomstandigheden

Resultaten en bespreking

Figuur 1 toont de thermische diffusiviteit, 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 en 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 onderzochte neodymiumlegering bij kamertemperatuur tot 800 °C. Naarmate de temperatuur stijgt, nemen alle thermofysische eigenschappen doorgaans toe. In het bereik van ongeveer 300 °C tot 350 °C vertoont 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 echter een duidelijk maximum, terwijl de thermische diffusiviteit tegelijkertijd een lokaal minimum vormt. Dit gecorreleerde gedrag duidt op een overgang die verband houdt met de Curie-transformatie van de legering.

Beide eigenschappen zijn gevoelig voor structurele of magnetische veranderingen in het materiaal en maken een duidelijke identificatie van het relevante temperatuurbereik mogelijk.

De berekende warmtegeleidingscoëfficiënt vertoont echter geen uitgesproken overgangspiek, maar neemt vrijwel continu toe over het gehele meetbereik. Dit gedrag is te wijten aan het feit dat de tegengestelde effecten van de toegenomen 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 en de verminderde thermische diffusiviteit elkaar bij de berekening van de warmtegeleidingscoëfficiënt grotendeels compenseren. De invloed van de overgang is daarom veel minder uitgesproken in de warmtegeleidbaarheid dan in de direct gemeten afzonderlijke parameters.

De resultaten tonen aan dat door de gecombineerde bepaling van de thermische diffusiviteit 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 met behulp van LFA het thermofysische gedrag van materialen nauwkeuriger kan worden beoordeeld. Met name temperatuurafhankelijke afwijkingen, zoals die welke dicht bij de Curie-transformatie kunnen optreden, kunnen op basis van de afzonderlijke parameters betrouwbaar worden gedetecteerd en geïnterpreteerd.

Samenvatting

De LFA 717 HyperFlash^® HT maakt een nauwkeurige karakterisering van de thermische eigenschappen bij hoge temperaturen mogelijk, met name door middel van de contactloze laserflash-methode voor het bepalen van de thermische diffusiviteit. In combinatie met referentiemonsters en Density Determination kunnen 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 en 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 betrouwbaar worden bepaald.