Instrumentprestaties bij hoge temperatuur: Waarom een combinatie van DSC, LFA en DIL meer inzicht geeft

De geheimen van instrumentprestaties bij hoge temperaturen

Op NETZSCH weten we dat een totaalbeeld van het gedrag van een materiaal bij hoge temperaturen verder gaat dan een enkele test. Daarom helpen we u Differential Scanning Calorimetry (DSC), Laser Flash Analysis (LFA) en Dilatometry (DIL) te combineren. Samen geven deze methoden een 360-graden beeld van hoe materialen reageren op warmte, van hoe ze energie absorberen en afgeven tot hoe ze energie geleiden - en hoe hun afmetingen veranderen met de temperatuur.

Dit trio technieken is van onschatbare waarde voor iedereen die betrokken is bij het ontwerpen, testen of gebruiken van materialen voor toepassingen bij hoge temperaturen.

Waarom een combinatie van DSC, LFA en DIL?

1. DSC: Thermische overgangen onthullen

Differentiële scanning calorimetrie (DSC) meet hoe de warmtestroom van een materiaal verandert als het verwarmd of afgekoeld wordt. Voor toepassingen bij hoge temperaturen geeft DSC een kritisch inzicht in FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergangen (zoals 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). smelten, KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie, enz.), reactie-enthalpie en specifiekewarmtecapaciteit. Bijvoorbeeld:

• FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.Faseovergangen: Door faseveranderingen zoals 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). smelten of KristallisatieKristallisatie is het fysieke proces van verharding tijdens de vorming en groei van kristallen. Tijdens dit proces komt kristallisatiewarmte vrij.kristallisatie te onthullen, helpt DSC ingenieurs te begrijpen wanneer en hoe een materiaal zijn stabiliteit kan verliezen of van eigenschappen kan veranderen onder invloed van hitte.
• 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: Weten hoeveel energie een materiaal absorbeert is essentieel voor thermisch beheer omdat het de koel- en verwarmingsvereisten in praktische toepassingen beïnvloedt.

Voor materialen waarvan verwacht wordt dat ze overleven en presteren bij temperaturen van 1000°C of meer, zijn deze inzichten van fundamenteel belang. Maar DSC alleen vertelt niet het hele verhaal.

2. LFA: De efficiëntie van warmteoverdracht meten

Terwijl DSC uitlegt hoeveel warmte een materiaal absorbeert of afgeeft, onderzoekt Laser/Light Flash Analysis (LFA) hoe goed het die warmte geleidt. Dit is essentieel voor toepassingen waar warmteoverdracht de prestaties en veiligheid beïnvloedt, zoals in elektronica, motoren en isolatiematerialen.

De LFA-techniek levert waarden voor 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, die aangeven:

• Warmteoverdracht: Materialen met een hoog warmtegeleidingsvermogen, zoals bepaalde metalen, zijn ideaal voor snelle warmteafvoer, terwijl materialen met een laag warmtegeleidingsvermogen, zoals sommige keramische materialen en polymeren, ideaal zijn voor isolatie.
• Temperatuursafhankelijk gedrag: Voor veel materialen verandert de geleidbaarheid met de temperatuur en kennis over hoe dit gebeurt helpt ingenieurs bij ontwerpen voor zowel stabiele als fluctuerende thermische omgevingen.

LFA-gegevens zijn vooral nuttig in combinatie met DSC om context te bieden voor FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergangen, omdat deze vaak samenvallen met verschuivingen in 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.

3. DIL: Inzicht in dimensionale stabiliteit

Dilatometrie (DIL) maakt het trio compleet door te meten hoe een materiaal uitzet of krimpt als het opwarmt of afkoelt. Deze gegevens over thermische uitzetting zijn essentieel voor het ontwerpen van componenten die worden blootgesteld aan wisselende temperatuuromstandigheden. Bij hoge temperaturen heeft het vermogen van een materiaal om vormstabiel te blijven invloed op alles, van de pasvorm in een assemblage tot de weerstand tegen thermische schokken.

DIL-gegevens kunnen het volgende onthullen:

• Thermische uitzettingscoëfficiënten: Weten hoeveel een materiaal uitzet of krimpt onder invloed van temperatuur kan problemen zoals scheuren, kromtrekken of defecten aan onderdelen voorkomen.
• KruipKruip beschrijft een tijd- en temperatuurafhankelijke plastische vervorming onder een constante kracht. Wanneer een constante kracht wordt uitgeoefend op een rubbermengsel, is de initiële vervorming die wordt verkregen door het uitoefenen van de kracht niet vast. De vervorming neemt toe met de tijd.Kruip en OntspanningWanneer een constante spanning wordt uitgeoefend op een rubbermengsel, is de kracht die nodig is om die spanning te handhaven niet constant maar neemt deze af met de tijd; dit gedrag staat bekend als spanningsrelaxatie. Het proces dat verantwoordelijk is voor spanningsrelaxatie kan fysisch of chemisch zijn en onder normale omstandigheden zullen beide tegelijkertijd optreden. ontspanning: Materialen die worden blootgesteld aan langdurige warmte kunnen langzame vervorming (KruipKruip beschrijft een tijd- en temperatuurafhankelijke plastische vervorming onder een constante kracht. Wanneer een constante kracht wordt uitgeoefend op een rubbermengsel, is de initiële vervorming die wordt verkregen door het uitoefenen van de kracht niet vast. De vervorming neemt toe met de tijd.kruip) vertonen, wat de duurzaamheid in gevaar kan brengen.

Deze gegevens zijn kritisch voor ontwerpers, vooral in toepassingen waarbij materialen met verschillend uitzettingsgedrag worden gecombineerd, zoals elektronica of composietmaterialen die uit meerdere lagen bestaan.

De voordelen van het gecombineerde gebruik van de drie technieken

• Complementair profiel bij hoge temperatuur
  
  Door DSC, LFA en DIL samen te gebruiken, kan het complementaire gedrag van een materiaal bij hoge temperatuur in kaart worden gebracht. Terwijl DSC bijvoorbeeld een FaseovergangenDe term faseovergang (of faseverandering) wordt meestal gebruikt om overgangen tussen de vaste, vloeibare en gasvormige toestand te beschrijven.faseovergang detecteert, kan LFA aantonen of die verandering 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 geleidbaarheid beïnvloedt en kan DIL bevestigen of het de vorm van het materiaal beïnvloedt. Deze gecombineerde aanpak geeft ingenieurs en onderzoekers een diepgaand profiel van de thermische en dimensionale stabiliteit van een materiaal onder echte omstandigheden.
  
  
• Verbeterde ontwerp- en prestatieoptimalisatie
  
  Industrieën die materialen met hoge prestaties nodig hebben, hebben er baat bij om zowel de thermische als de mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen te kennen. Door DSC-, LFA- en DIL-gegevens te integreren, kunnen bedrijven hun processen optimaliseren. Bijvoorbeeld:
  • Auto- en ruimtevaartindustrie: Onderdelen die worden blootgesteld aan extreme temperaturen kunnen worden ontworpen op zowel hittebestendigheid (DSC/TG/LFA) als maatvastheid (DIL).
  • Energieopwekking en isolatie: Thermisch management wordt efficiënter als thermische geleiding en expansie zijn afgestemd op specifieke toepassingen.
    
    
• Verbeterde productlevensduur en veiligheid
  
  Door de respons van een materiaal over meerdere thermische metingen te karakteriseren, maakt de combinatie van DSC, LFA en DIL proactief ontwerp voor duurzaamheid en betrouwbaarheid mogelijk. Materialen kunnen worden geselecteerd of ontworpen om hun eigenschappen te behouden bij langdurige blootstelling aan hoge temperaturen, waardoor het risico op materiaaldefecten afneemt.

Praktische toepassingen van DSC, LFA en DIL in analyse bij hoge temperaturen

De combinatie van deze technieken opent nieuwe deuren op gebieden zoals

• Keramiek en glas: Thermische uitzetting en stabiliteit zijn kritisch in vuurvaste materialen, die een hoge 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 (DSC/TG) en lage geleidbaarheid (LFA) met consistente grootte en volume (DIL) bij hoge temperaturen vereisen.
• Metaallegeringen: Het gebruik van metalen in motoren of reactoren heeft baat bij een combinatie van hoge 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 (LFA) en stabiel fasegedrag (DSC), met gecontroleerde uitzetting (DIL) om spanningsbreuken te voorkomen.
• Composieten: Materialen die worden gebruikt in elektronica of ruimtevaarttoepassingen vereisen geoptimaliseerde warmteafvoer (LFA) zonder faseverschuivingen (DSC) of grootteveranderingen (DIL) die kunnen leiden tot circuit- of assemblageproblemen.

Meer informatie over NETZSCH analyse-instrumenten voor toepassingen bij hoge temperaturen:

• 
  DSC 404 F1 Pegasus^®

  De Differentiële Scanning Calorimeter voor hoge temperaturen

  • Temperatuurbereik: van -150°C tot 2000°C
  • Geïntegreerde massastroomcontrolesystemen (MFC) in metalen behuizing voor drie verschillende gassen
  • Optionele temperatuurmodulatie (TM-DSC)
• 
  LFA 717 Hoge temperatuur HyperFlash^®

  Een snelle en contactloze methode 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 tot 1250°C

  • Xenonlamp met lange levensduur voor kosteneffectieve metingen tot 1250 °C
  • Vacuümdichte platina oven voor verwarmingssnelheden tot 50 K/min
  • Ovens met minibuisjes voor ongeëvenaarde testsnelheid.
• 
  DIL 402 Expedis^®Supreme HT
  • Temperatuurbereik: -180°C tot 2800°C
  • ΔL Resolutie over het hele meetbereik: 0.1 nm