Wprowadzenie
Do pomiarów LFA wymagana jest określona grubość próbki. Dyfuzyjność cieplna (a) jest proporcjonalna do kwadratu grubości próbki (d): a ~ d². Wymaga to dużej precyzji, aby uzyskać dokładną wartość grubości. Ponadto przepływ ciepła przez zewnętrzne ścianki pojemnika w kierunku osiowym może być krytyczny dla uchwytów próbek cieczy. Co więcej, pomiary stopionych metali mogą zniszczyć uchwyt próbki. Aby rozwiązać te krytyczne kwestie, opracowano nowy uchwyt próbki specjalnie dla ciekłych metali (rysunek 1). Specjalna konstrukcja, z niektórymi częściami wykonanymi ze stali nierdzewnej lub SiC i wewnętrznymi częściami wykonanymi z szafiru, umożliwia pomiary z doskonałymi sygnałami detektora podczerwieni, a tym samym wysoką precyzję. Metal umieszczany jest w szafirowym tyglu, który zamykany jest szafirową pokrywą. Zdefiniowana grubość próbki w stopie jest realizowana poprzez umieszczenie dodatkowej masy na szafirowej pokrywie. Zapewnia to elastyczne pozycjonowanie pokrywy pod względem wysokości i zapobiega uszkodzeniom szafirowej części wynikającym z osiowej rozszerzalności cieplnej metalu.
Warunki testu
- Materiał: Stop aluminium
- Instrumenty: LFA 467 HT HyperFlash/DSC 404 F1 Pegaus
- Zakres temperatur: 450°C → 750°C → 450°C
- Uchwyt próbki: Do cieczy i metali; wykonany z szafiru; w wersji SiC, ze stali nierdzewnej (do 750°C) i SiC (do 1250°C)
- Zakres temperatur: 450°C → 750°C → 450°C
- Grubość próbki: 1,5 mm
- Przygotowanie powierzchni próbki: Cienka powłoka grafitowa
Wyniki pomiarów
Przydatność nowego uchwytu na próbki cieczy w połączeniu z LFA 467 HT została sprawdzona za pomocą serii pomiarów na stopie aluminium. Przed testem LFA przeprowadzono dodatkowe pomiary DSC. Rysunek 2 przedstawia przemianę fazową podczas ogrzewania i chłodzenia w DSC. Podczas ogrzewania (czarna krzywa), wieloetapoweTemperatury i entalpie topnieniaEntalpia syntezy substancji, znana również jako ciepło utajone, jest miarą nakładu energii, zazwyczaj ciepła, która jest niezbędna do przekształcenia substancji ze stanu stałego w ciekły. Temperatura topnienia substancji to temperatura, w której zmienia ona stan ze stałego (krystalicznego) na ciekły (stopiony izotropowo). topnienie stopu rozpoczyna się w temperaturze 558°C (temperatura początkowa, solidus) ze szczytowymi temperaturami 569°C i 600°C. Ostatni etap kończy się w temperaturze 623°C (temperatura likwidus). W cyklu chłodzenia można zaobserwować niewielki efekt przechłodzenia (przerywana zielona linia). Proces krystalizacji rozpoczyna się między 610°C a 600°C, około 10-15 K poniżej temperatury likwidusu określonej podczas ogrzewania. KrystalizacjaKrystalizacja to fizyczny proces twardnienia podczas tworzenia i wzrostu kryształów. Podczas tego procesu uwalniane jest ciepło krystalizacji.Krystalizacja kończy się w temperaturze 535°C.
Na rysunku 3 przedstawiono dyfuzyjność cieplną stopu aluminium podczas ogrzewania i chłodzenia (pomiary LFA). Wartości podczas topnienia i krystalizacji są w bardzo dobrej zgodności, co wskazuje, że detektor podczerwieni ma doskonałą stabilność sygnału i że warunki są stabilne zarówno w obrębie przejść fazowych, jak i poza nimi (np. stała grubość warstwy ciekłego/stałego metalu). Temperatura solidus jest wykrywana między 550°C a 575°C (dla porównania, DSC: 558°C), a temperatura liquidus między 600°C a 625°C (dla porównania, DSC: 623°C). Dobra zgodność między dwoma niezależnymi instrumentami pokazuje wysoką dokładność temperaturową LFA 467 HT.
Obliczenie przewodności cieplnej λ(T) opiera się na następującym równaniu:
gdzie
ρ = gęstość
α = dyfuzyjność cieplna
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 = pojemność cieplna właściwa
Gęstość, ρ, można określić w temperaturze pokojowej na podstawie objętości i masy. Aby uzyskać dokładne wyniki, można użyć dylatometru w celu uwzględnienia rozszerzalności cieplnej i zmiany gęstości w zależności od temperatury. Zmierzone/obliczone krzywe 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*(T) DSC zawierają wkład entalpii przemiany fazowej Δhphase i mogą być opisane jako:
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* dT = 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 dT + dhphase
Aby uzyskać "prawdziwą" pojemność cieplną właściwą 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(T), która jest potrzebna do obliczenia przewodności cieplnej, należy odjąć entalpię przemiany fazowej:
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 dT = 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* dT - dhphase
Zwykle odbywa się to poprzez interpolację liniową w zakresie przejścia fazowego.
Rysunek 4 przedstawia właściwości termofizyczne stopu aluminium, w tym obliczoną przewodność cieplną dla przejścia fazowego ciało stałe-ciecz.
Podsumowanie
NETZSCH opracowała nowy uchwyt do próbek ciekłych metali dla LFA 467 HT HyperFlash, który może być dostarczony w dwóch wersjach, nadających się do użytku w temperaturach odpowiednio do 750°C i 1250°C. Pomiary na ciekłym stopie aluminium wyraźnie pokazują wysoką powtarzalność wyników podczas ogrzewania (topienia) i chłodzenia (krystalizacji). Specjalna konstrukcja uchwytu próbki zapewnia stałą grubość próbki podczas topienia. Jednocześnie zapobiega mechanicznemu naciskowi na szafirowe części wynikające z rozszerzalności cieplnej. Dzięki doskonałej stabilności sygnału osiągnięto wysoką precyzję przy niskim rozproszeniu. Ponadto uzyskano dobrą zgodność z wynikami DSC, a wykryte temperatury przejścia fazowego mieściły się w oczekiwanym zakresie.