Model penetracji w oprogramowaniu NETZSCH LFA - materiały porowate wreszcie obsługiwane prawidłowo!

Wprowadzenie

Modele oprogramowania, które uwzględniają wpływ kształtu i powierzchni próbek, stają się coraz ważniejsze dla precyzyjnego określania właściwości termofizycznych (TPP), takich jak dyfuzyjność cieplna (a), 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 (λ) iPojemność 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 (_{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}). Z tego powodu w ostatnich latach serwis NETZSCH był zaangażowany w ciągłe ulepszanie istniejących modeli LFA (analiza błysku lasera) oraz opracowywanie nowych modeli obliczeniowych, korekt i operacji matematycznych uwzględniających straty ciepła w połączeniu z korektą impulsów, promieniowaniem, systemami wielowarstwowymi, testami w płaszczyźnie, korektami linii bazowej itp.

Niniejsza nota aplikacyjna przedstawia model penetracji oparty na modelu McMasters [1]. Nadaje się on do pomiarów materiałów o chropowatych powierzchniach i materiałów wyjątkowo porowatych.

Porowate materiały stanowią wyzwanie - ale nie dla modelu penetracji

W standardowych pomiarach błyskowych przednia powierzchnia próbki pochłania całkowitą energię. Fala termiczna będzie następnie przemieszczać się przez grubość próbki, zanim dotrze do tylnej powierzchni (rysunek 1). W przypadku materiałów porowatych, NETZSCH wprowadził model penetracji (rysunek 2), który uwzględnia następujące kwestie:

Absorpcja energii impulsu nie jest już ograniczona do powierzchni czołowej
Absorpcja jest rozciągnięta na cienką warstwę do grubości próbki.
Warstwy absorpcyjne mogą być traktowane jako średnia droga swobodna w materiale

Uwzględnienie tych aspektów skutkuje wykładniczo malejącym początkowym rozkładem temperatury w próbce. Zastosowanie tego podejścia, które uwzględnia porowatość materiału, skutkuje zwiększoną dokładnością i precyzją wyznaczonych wartości dyfuzyjności cieplnej, przewodności cieplnej i pojemności cieplnej właściwej.

2) Model penetracji zaimplementowany w oprogramowaniu NETZSCH `Proteus^®` LFA

Warunki pomiaru

W celu sprawdzenia przydatności modelu Penetration zmierzono dwa wypełnione polimery tego samego typu, ale o różnych kształtach. Jeden pomiar przeprowadzono na próbce o powierzchni pokrytej otworami o średnicy 0,5 mm. Dla porównania, drugi pomiar przeprowadzono na oryginalnej próbce o gładkiej powierzchni (rysunek 3). Dyfuzyjność cieplna została określona na próbce o grubości 12,7 mm i średnicy 1,96 mm w temperaturze pokojowej.

3) Wypełniony krążek polimerowy po lewej stronie, krążek polimerowy z otworami po prawej stronie

Wyniki pomiarów

Rysunki 4 i 5 przedstawiają pomiar na próbce z otworami. Na rysunku 4 dopasowanie modelu sygnału wzrostu detektora (czerwona krzywa) uzyskano przy użyciu standardowego modelu Cowana [2]. Zielone kółko wskazuje obszar odchyleń między dopasowaniem a krzywą pomiarową (niebieską). Przy tym - oczywiście niewystarczającym - dopasowaniu modelu, Dyfuzyjność termicznaDyfuzyjność cieplna (a z jednostką mm2/s) to specyficzna dla materiału właściwość charakteryzująca niestałe przewodzenie ciepła. Wartość ta opisuje, jak szybko materiał reaguje na zmianę temperatury.dyfuzyjność termiczna jest obliczana na 0,753 ^mm2/s. Obliczenia oparte na modelu Penetration dają dyfuzyjność cieplną 0,626 ^mm2/s, czyli o prawie 17% niższą (rysunek 5).

4) Próbka z otworami, dopasowanie krzywej narastania sygnału przy użyciu modelu standardowego

5) Próbka z otworami, dopasowanie wyznaczania krzywej narastania sygnału przy użyciu modelu penetracji

Rysunek 6 przedstawia wzrost sygnału detektora z pomiaru na oryginalnie wypełnionej tarczy polimerowej o gładkiej powierzchni. Zastosowanie standardowego modelu Cowana do określenia dyfuzyjności cieplnej daje prawie takie same wyniki pomiarów, jak uzyskane przy użyciu modelu penetracji dla próbki z otworami (rysunek 5). Odchylenie wynosi około 3%. Dowodzi to, że obliczenie dyfuzyjności cieplnej w oparciu o model Penetration daje prawidłowe wyniki.

6) Pomiar na oryginalnej próbce bez otworów, dopasowanie krzywej wzrostu detektora uzyskanej przy użyciu standardowego modelu Cowana

Wnioski

Wraz z różnymi modelami classical (np. Cowan 5 /10, Parker, ulepszony Cape-Lehman itp.), oprogramowanie NETZSCH LFA Proteus^® zawiera wiele różnych modeli obliczeniowych, poprawek i operacji matematycznych. Model penetracji jest szczególnie odpowiedni dla materiałów porowatych i materiałów o chropowatej powierzchni. Ta specjalna funkcja oprogramowania LFA Proteus^® obejmuje penetrację błysku światła w próbce poza rzeczywistą ogrzewaną powierzchnią. Uwzględnia on porowatość próbki, która powoduje, że znaczna część energii błysku światła jest osadzana wewnątrz próbki. Oznacza to, że model penetracji uwzględnia absorpcję energii impulsu przez cienką warstwę w grubości próbki. Pomiary na próbkach tej samej próbki, ale o bardzo różnych strukturach powierzchni (gładkich i porowatych), potwierdzają poprawność modelu Penetration.