Wprowadzenie
Stopy neodymu są kluczowymi materiałami w nowoczesnych zastosowaniach wymagających wysokiej wydajności. Wykorzystuje się je w szczególności jako podstawę do produkcji wysokowydajnych magnesów trwałych stosowanych w silnikach elektrycznych, generatorach, turbinach wiatrowych, czujnikach i dyskach twardych. Oprócz właściwości magnetycznych decydującą rolę odgrywają również właściwości termofizyczne stopów neodymu. Przy wysokich gęstościach mocy i rosnących temperaturach roboczych dyfuzyjność cieplna, ciepło właściwe oraz 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 mają znaczący wpływ na zachowanie termiczne materiału. Właściwości te są niezbędne do efektywnego zarządzania ciepłem, zapobiegania lokalnemu przegrzaniu oraz zapewnienia długotrwałej stabilności materiałowej i funkcjonalnej.
Szczególne znaczenie ma tutaj znajomość dyfuzyjności cieplnej, ponieważ opisuje ona, jak szybko zmiana temperatury rozprzestrzenia się w obrębie materiału. W połączeniu z gęstością i ciepłem właściwym można na tej podstawie określić przewodność cieplną – kluczowy parametr przy projektowaniu elementów poddawanych obciążeniom termicznym.
Metoda i warunki pomiaru
Właściwości termofizyczne stopu neodymu określono za pomocą LFA 717 HyperFlash® HT. Analiza laserowa typu flash jest jedną z najbardziej uznanych metod pomiaru przewodności cieplnej, charakteryzującą się wysoką precyzją i krótkim czasem pomiaru. Podczas pomiaru przednia powierzchnia próbki jest wzbudzana krótkim impulsem energetycznym, a wynikający z tego wzrost temperatury na tylnej powierzchni jest rejestrowany bez kontaktu z detektorem podczerwieni. Na podstawie matematycznego dopasowania krzywej na podstawie zmierzonego sygnału określa się dyfuzyjność cieplną.
Oprócz dyfuzyjności cieplnej za pomocą metody LFA określono również ciepło właściwe, stosując metodę porównawczą. W tym celu wykorzystano wzorzec miedziany o znanych właściwościach termofizycznych. Na podstawie dyfuzyjności cieplnej, ciepła właściwego i gęstości obliczono następnie przewodność cieplną. Dokładne warunki pomiarowe przedstawiono w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiarowe
| Materiał | Stop neodymu |
| Uchwyt próbki | Ø 8 mm, SiC |
| Program temperaturowy | Od temperatury otoczenia do 800°C; w odstępach co 50 K |
| Wymiary próbki | Ø 8 mm, grubość: 2,8 mm |
| Powłoka | Grafit |
| Odniesienie dlaPojemność 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 | Czysta miedź |
| Atmosfera | Argon |
| Szybkość ogrzewania | 10 K/min |
| Energia impulsu | 250 V / 600 μs |
Wyniki i omówienie
Na rysunku 1 przedstawiono dyfuzyjność cieplną, ciepło właściwe oraz przewodność cieplną badanego stopu neodymu w zakresie temperatur od temperatury pokojowej do 800°C. Wraz ze wzrostem temperatury wszystkie właściwości termofizyczne wykazują tendencję do wzrostu. W przedziale temperatur od około 300°C do 350°C ciepło właściwe osiąga jednak wyraźną wartość maksymalną, podczas gdy dyfuzyjność cieplna osiąga w tym samym czasie lokalne minimum. To skorelowane zachowanie wskazuje na Punkt przecięciaW teście reologicznym, takim jak przemiatanie częstotliwości lub przemiatanie czas/temperatura, punkt przecięcia jest wygodnym punktem odniesienia wskazującym punkt "przejścia" próbki. przejście związane z przemianą Curie’ego w stopie.
Obie właściwości są wrażliwe na zmiany strukturalne lub magnetyczne w materiale i pozwalają na jednoznaczną identyfikację odpowiedniego zakresu temperatur.
Obliczona 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 nie wykazuje jednak wyraźnego piku przejściowego, lecz rośnie niemal w sposób ciągły w całym zakresie pomiarowym. Zachowanie to wynika z faktu, że przeciwstawne skutki zwiększonej ciepłoty właściwej i zmniejszonej dyfuzyjności cieplnej w znacznym stopniu znoszą się nawzajem podczas obliczania przewodności cieplnej. Wpływ tego przejścia jest zatem znacznie mniej wyraźny w przypadku przewodności cieplnej niż w przypadku poszczególnych parametrów mierzonych bezpośrednio.
Wyniki pokazują, że dzięki łącznemu oznaczeniu dyfuzyjności cieplnej i ciepła właściwego za pomocą metody LFA można dokładniej ocenić właściwości termofizyczne materiałów. W szczególności anomalie zależne od temperatury, takie jak te, które mogą występować w pobliżu przemiany Curie’ego, można wiarygodnie wykrywać i interpretować na podstawie poszczególnych parametrów.
Podsumowanie
To LFA 717 HyperFlash® HT umożliwia precyzyjną charakterystykę właściwości termicznych w wysokich temperaturach, zwłaszcza dzięki bezkontaktowej metodzie laserowej błyskowej służącej do określania dyfuzyjności cieplnej. W połączeniu z próbkami referencyjnymi oraz Density Determination można również wiarygodnie określić ciepło właściwe i przewodność cieplną.