Wprowadzenie
Molibden jest dostępny jako wzorzec ciepła właściwego z NIST [1] od kilkudziesięciu lat, chociaż niewiele jest dostępnych informacji na temat jego właściwości, takich jak rozszerzalność cieplna, 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. Zgodnie z literaturą [1, 2, 3, 4], czysty molibden nie powinien wykazywać żadnych zmian fazowych aż do temperatury topnienia. Jest to jednak krytyczne, ponieważ jest on wrażliwy na tlen w podwyższonych temperaturach. Ze względu na wysoką prężność par tlenków molibdenu, materiał generalnie nie zmienia właściwości z powodu utleniania powierzchni. Powstałe tlenki po prostu odparowują z powierzchni. Wszystkie te szczególne właściwości molibdenu sprawiają, że jest to rozsądna substancja dla standardowego materiału o wielu właściwościach.
Eksperymentalny
Pomiary różnych właściwości termofizycznych, takich jak rozszerzalność cieplna, zmiana gęstości, ciepło właściwe i dyfuzyjność cieplna, przeprowadzono na czystym (99,99%) materiale molibdenowym. Do pomiaru rozszerzalności cieplnej i określenia zmiany gęstości zastosowano dylatometrię Pushrod (DIL). Do pomiaru ciepła właściwego wykorzystano różnicową kalorymetrię skaningową (DSC). Dyfuzyjność cieplna została określona przy użyciu techniki błysku laserowego (LFA). Wyniki testów pozwalają na szczegółowy wgląd w zachowanie materiału podczas obróbki termicznej, a także możliwe było określenie przewodności cieplnej. Dokonano porównania wszystkich wyników testów z dostępnymi danymi literaturowymi.
Testy przeprowadzono na różnych próbkach przygotowanych z oryginalnego bloku i zmierzono w zakresie od -125°C do 1400°C. W związku z tym możliwa była ocena tego materiału jako potencjalnego kandydata na standardowy materiał dla różnych właściwości termofizycznych w szerokim zakresie temperatur.
Czysty molibden (99,99%) został dostarczony przez Plansee SE, Reutte, Austria. Do analizy wykorzystano blok large o średnicy 30 mm i długości 120 mm. Z bloku cylindra przygotowano różne próbki do różnych technik testowych. Dla każdej metody pomiarowej przygotowano dwie próbki i przetestowano je dwa do trzech razy. Sprawdzono stabilność termiczną i jednorodność materiału oraz określono powtarzalność wyników testów.
Wyniki testów
Na rysunku 1 przedstawiono zmierzone wyniki rozszerzalności cieplnej dla dwóch różnych próbek molibdenu zmierzonych dwukrotnie. Rozrzut danych między próbkami i różnymi eksperymentami mieści się na ogół w zakresie ±1,5%. Biorąc pod uwagę dokładność i powtarzalność zastosowanego przyrządu, wpływ efektów powierzchniowych i wpływ parowania tlenków, rozrzut danych mieści się w akceptowalnym zakresie. Wyniki nie wskazują na niejednorodności materiału lub zmiany wartości rozszerzalności cieplnej między różnymi przebiegami ogrzewania.
Na rysunku 2 przedstawiono rozszerzalność objętościową i zmianę gęstości molibdenu w funkcji temperatury. Rozszerzalność objętościowaObjętość gazu, ciała stałego lub cieczy zmienia się, jeśli zmienia się temperatura, ciśnienie lub siły działające na ten gaz/ciało stałe/ciecz. W przypadku analizy termicznej analizujemy zmiany zależne od temperatury.Rozszerzalność objętościowa została określona na podstawie zmierzonej rozszerzalności cieplnej przy założeniu izotropowego zachowania materiału, a zatem takiego samego zachowania rozszerzalności we wszystkich kierunkach. Gęstość obliczono na podstawie rozszerzalności objętościowej i gęstości nasypowej w temperaturze pokojowej wynoszącej 10,216 g.cm-3. Gęstość nasypowa w temperaturze pokojowej została określona na podstawie pierwotnie dostarczonego bloku próbki poprzez pomiar masy i objętości.
Rysunek 3 przedstawia wartości ciepła właściwego zmierzone za pomocą różnicowego kalorymetru skaningowego. Ponownie, obie próbki zostały zmierzone dwukrotnie w niskotemperaturowym piecu stalowym (-125°C do 300°C) oraz w wysokotemperaturowym piecu platynowym (300°C do 1275°C). Odchylenie między poszczególnymi wynikami mieściło się w zakresie ±2,0%, a zatem zdecydowanie w granicach podanej niepewności przyrządu zastosowanego do testów. Wartości wykazują silny wzrost w stosunku do temperatury w zakresie niskich temperatur. Takiego zachowania można oczekiwać zgodnie z dobrze znaną teorią Debye'a [5]. W wysokich temperaturach wartości rosną prawie liniowo. Jest to zgodne z fizyką ciała stałego (reguła Dulonga i Petita, [5]). W tym zakresie temperatur nie wykryto żadnych nakładających się przejść ani innych efektów termicznych, co wyraźnie wskazuje, że w materiale nie zachodzi przemiana fazowa w zakresie od -125°C do 1275°C. Spełnia to warunek standardowego materiału, ponieważ nie występują żadne zmiany strukturalne w interesującym nas zakresie temperatur.
Rysunek 4 przedstawia wyniki pomiarów dyfuzyjności cieplnej zebrane z różnych urządzeń błyskowych użytych do testów. Wyraźnie widać, że dyfuzyjność cieplna maleje w zależności od temperatury. Spadek jest zgodny z zachowaniem T-1 poniżej 600°C, co skutkuje prawie liniowym spadkiem w wyższych temperaturach. Takie zachowanie jest typowe dla materiałów przewodzących głównie fonony, takich jak ceramika lub materiały grafitowe. Dlatego może się zdarzyć, że wkład elektronów w przenoszenie ciepła wynosi small dla tego metalicznego materiału. Rozproszenie wyników pomiarów zależy od przebiegu i próbki i generalnie mieści się w zakresie ±2%. Jedynie w temperaturze 1000°C uzyskano nieco większe rozproszenie (±3%). Możliwym wyjaśnieniem tego zjawiska może być parowanie tlenków molibdenu w tym zakresie temperatur, wpływające na emisyjność próbek, a tym samym na absorpcję światła laserowego i emisję światła podczerwonego.
Na rysunku 5 przedstawiono wyniki przewodności cieplnej określonej przez pomnożenie zmierzonej gęstości, ciepła właściwego i dyfuzyjności cieplnej. Dane dotyczące gęstości poniżej temperatury pokojowej i ciepła właściwego powyżej 1275°C zostały określone przez liniową ekstrapolację zmierzonych danych. Wyraźnie widać, że 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 zależy od temperatury dyfuzyjności cieplnej. Dokonano również porównania z wartościami literaturowymi [6]. Zakładając 5% dokładność wartości literaturowych i 3% niepewność wartości opartych na pomiarze, wyniki są w bardzo dobrej zgodności.
Wnioski
Różne właściwości termofizyczne (rozszerzalność cieplna, zmiana gęstości, ciepło właściwe, dyfuzyjność cieplna, 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) zostały zmierzone na molibdenie o wysokiej czystości. Porównanie z wartościami literaturowymi wskazało na jakość wyników pomiarów i wiarygodność materiału. Na podstawie wyników testów można założyć, że czysty molibden może być rozsądnym kandydatem do stosowania jako materiał standardowy do wysokich temperatur powyżej 1200°C. Może być stosowany jako standard calibration dla różnych właściwości termofizycznych. Dalsze testy w różnych laboratoriach i instytutach badawczych byłyby mile widziane, aby udowodnić możliwości tego materiału.