Wprowadzenie
Ze względu na doskonałe właściwości magnetyczne i termofizyczne, czyste żelazo jest często stosowane w komponentach elektromagnetycznych, w których niezbędny jest wydajny transfer ciepła. Przykłady obejmują rdzenie transformatorów, silniki elektryczne, cewki indukcyjne i komponenty elektroniki mocy, w których występują zarówno naprężenia magnetyczne, jak i termiczne. Dokładne zrozumienie właściwości termicznych w szerokim zakresie temperatur jest zatem niezbędne do niezawodnego projektowania komponentów i dokładnej symulacji ich zachowania operacyjnego w rzeczywistych warunkach.
Znajomość przewodności cieplnej jest kluczowa, ponieważ w znacznym stopniu określa ona, jak skutecznie ciepło jest transportowane w materiale. W zastosowaniach związanych z czystym żelazem, szczególnie w komponentach elektromagnetycznych, ma ona bezpośredni wpływ na Reakcja rozkładuReakcja rozkładu to wywołana termicznie reakcja związku chemicznego tworząca produkty stałe i/lub gazowe. rozkład temperatury, rozpraszanie ciepła, a tym samym na bezpieczeństwo pracy i żywotność komponentów. Niewystarczające rozpraszanie ciepła może prowadzić do lokalnego przegrzania, zmniejszenia wydajności, a nawet awarii. Dlatego dokładne zrozumienie przewodności cieplnej jest niezbędne do projektowania termicznego, optymalizacji i symulacji systemów przemysłowych.
Metoda i warunki pomiaru
Laserowa analiza błyskowa (LFA, patrz rysunek 1) jest wykorzystywana głównie do określania dyfuzyjności cieplnej (α) materiału. W połączeniu z gęstością (ρ) i właściwą pojemnością cieplną (Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp) można obliczyć przewodność cieplną (λ) (λ = α - Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp - ρ).
Podczas pomiaru dolna część próbki jest podgrzewana krótkim impulsem laserowym. Wynikowy wzrost temperatury po przeciwnej stronie jest wykrywany za pomocą detektora podczerwieni. Dyfuzyjność cieplna materiału może być następnie określona na podstawie profilu temperatury w czasie i odpowiednich modeli matematycznych.
Korzystając ze specjalnego szafirowego uchwytu na próbki stopionych metali (patrz rysunek 2), dyfuzyjność cieplna próbki czystego żelaza była stale mierzona za pomocą urządzenia LFA 707 StratoFlash®Classic , gdy przechodziła ona ze stanu stałego do ciekłego.
Ciepło właściwe (Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki.cp) wyznaczono w zakresie temperatur od temperatury pokojowej do 1600°C przy użyciu aparatu DSC 500 Pegasus®, wyposażonego w piec rodowy. Warunki pomiaru zostały wyszczególnione w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiaru LFA
| Zakres temperatur | RT - 1600°C |
| Uchwyt próbki | Szafir do stopionych metali |
| Rozmiar próbki | Ø 1,39 mm; grubość ~ 1,4 mm; powierzchnie równoległe |
| Powłoka | Grafit |
| Pojemność cieplna właściwa | Za pomocą DSC 500 Pegasus® |
| Atmosfera | Ar |
| Szybkość ogrzewania | Zmienna 10 do 20 K/min |
| Energia | 650 V; 600 μs |
Wyniki i dyskusja
Rysunek 3 przedstawia typowe zachowanie czystego żelaza, w tym Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście Curie (≈770°C). Zarówno dyfuzyjność cieplna (czerwona krzywa), jak i Pojemność cieplna właściwa (cp)Pojemność cieplna jest wielkością fizyczną specyficzną dla materiału, określoną przez ilość ciepła dostarczonego do próbki, podzieloną przez wynikający z tego wzrost temperatury. Pojemność cieplna właściwa jest związana z jednostką masy próbki. pojemność cieplna właściwa (czarna krzywa) wykazują wyraźne zmiany w tym punkcie, odpowiednio z lokalnym minimum i maksimum. Tak więc Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście Curie można wyraźnie zaobserwować w dyfuzyjności cieplnej i pojemności cieplnej właściwej, podczas gdy Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna (niebieska krzywa) nie wykazuje żadnego wpływu w tym regionie. W zakresie topnienia powyżej 1525°C, dyfuzyjność cieplna i Przewodność cieplnaPrzewodność cieplna (λ z jednostką W/(m-K)) opisuje transport energii - w postaci ciepła - przez ciało o masie w wyniku gradientu temperatury (patrz rys. 1). Zgodnie z drugą zasadą termodynamiki, ciepło zawsze przepływa w kierunku niższej temperatury.przewodność cieplna znacznie spadają, ponieważ struktura sieci rozpada się i transport ciepła przez fonony już nie występuje.
Podsumowanie
Od ciała stałego do cieczy: Korzystając z urządzenia LFA 707 StratoFlash®Classic , wyposażonego w specjalny szafirowy uchwyt na próbki, można w sposób ciągły charakteryzować metale aż do stopienia. Uzyskane dane zapewniają cenny wgląd w zależne od temperatury zachowanie przewodności cieplnej, tworząc niezawodną podstawę do symulacji, doboru materiałów i optymalizacji komponentów, nawet w ekstremalnych warunkach pracy.