Dyfuzyjność termiczna metali jako funkcja wielkości ziarna

Wprowadzenie

Wraz z przewodnością cieplną, λ, dyfuzyjność cieplna, a, jest ważnym parametrem termofizycznym. W przeciwieństwie do przewodności cieplnej, która opisuje stacjonarny transfer ciepła, dyfuzyjność cieplna, α, jest parametrem przejściowego transferu ciepła materiału. Aby obliczyć przewodność cieplną, dyfuzyjność cieplna, a, jest wymagana oprócz pojemności cieplnej właściwej, _{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}, i gęstości, ρ:

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}

Ciepło właściwe zależy tylko od składu chemicznego. Gęstość jest funkcją makroskopowej struktury materiału (np. porów). Dyfuzyjność cieplna zależy od makrostruktury, ale także częściowo od mikrostruktury próbki.

Poniżej przedstawiono dyfuzyjność cieplną próbki miedzi w funkcji wielkości ziarna. Z reguły im smallwiększy rozmiar ziarna (= im więcej granic ziaren), tym niższa dyfuzyjność cieplna. Struktura próbki miedzi wytworzonej za pomocą produkcji addytywnej charakteryzuje się wieloma small ziarnami, a tym samym wieloma granicami ziaren, ze względu na stosunkowo krótkie cykle ogrzewania i szybkiego chłodzenia. Odpuszczanie próbki (1 h w 1000°C) daje strukturę ze znacznie larger ziarnami, a tym samym mniejszą liczbą granic ziaren. Porównanie mikrostruktur przedstawiono na rysunku 1.

Warunki pomiaru

Pomiar dyfuzyjności cieplnej w temperaturze pokojowej dwóch próbek miedzi został przeprowadzony za pomocą urządzenia LFA 467 HyperFlash^®. Próbki LFA miały średnicę 12,7 mm i grubość 3 mm. Przed pomiarem próbki zostały lekko, ale nie nieprzejrzyście, pokryte grafitem w celu poprawy właściwości emisyjnych i absorpcyjnych próbek miedzi.

Wyniki pomiarów

Wyniki zostały podsumowane w tabeli 1. Próbka ulepszona cieplnie, przy 116,88 mm²/s, wykazuje prawie wartość literaturową czystej miedzi, wynoszącą 117 mm²/s [1]. Próbka miedzi bezpośrednio po produkcji addytywnej, z mikrostrukturą o większym uziarnieniu small, wykazuje znacznie niższą dyfuzyjność cieplną wynoszącą 108,97 mm²/s.

Wnioski

LFA to bezkontaktowa metoda pomiarowa, która może niezawodnie wykrywać nawet różnice small, takie jak te spowodowane zmianą mikrostruktury, bez zakłócającego wpływu rezystancji styku.

Podziękowanie

Chcielibyśmy podziękować Infinite Flex GmbH za produkcję przyrostową i odpuszczanie próbek miedzi oraz Uniwersytetowi w Bayreuth, Wydziałowi Metali, za dostarczenie mikrografów.

Tabela 1: Dyfuzyjność cieplna czystej miedzi o różnych strukturach w temperaturze pokojowej