Introdução
Desde o desenvolvimento do método de flash a laser por Parker et al. em 1961 [1], vários aprimoramentos foram feitos nesse método para a determinação não destrutiva e sem contato da Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica. Atualmente, o hardware e o software devem permitir medições em diferentes geometrias, formatos e formas de amostras. Tornou-se necessário que o aparelho de flash de laser/luz (LFA) pudesse testar não apenas sólidos, mas também amostras em pó, líquidas, esfareladas e porosas. Por esse motivo, certos pré-requisitos de hardware, como suportes de amostras específicos, devem ser fornecidos. Além disso, os modelos de software que consideram a influência da forma e do formato da amostra estão se tornando cada vez mais importantes para a determinação precisa da Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica (a), da Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica (λ) e da capacidade de calor específica (Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp).
Nos últimos anos, o site NETZSCH tem aprimorado e desenvolvido continuamente modelos de cálculo, correções e operações matemáticas que levam em conta a perda de calor em combinação com a correção de pulso, radiação, sistemas multicamadas, testes no plano, correções de linha de base etc. Esta nota de aplicação apresenta o modelo de penetração baseado em McMasters [2] para medições em materiais porosos.
Materiais porosos são um desafio, mas não para o modelo de penetração
Nas medições de flash padrão, a face frontal do corpo de prova absorve a energia total. Em seguida, uma onda térmica percorrerá a espessura do corpo de prova antes de atingir a face posterior (figura 1). Para materiais porosos, o site NETZSCH introduziu o modelo Penetration (figura 2), que inclui as seguintes considerações:
- A absorção da energia do pulso não está mais limitada à face frontal
- A absorção é estendida em uma camada fina na espessura do corpo de prova
- As camadas de absorção podem ser tratadas como o caminho livre médio no material
A consideração desses aspectos resulta em uma distribuição de temperatura inicial com decaimento exponencial dentro do corpo de prova. A aplicação dessa abordagem, que leva em conta a porosidade do material, resulta em maior exatidão e precisão dos valores determinados de Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica, Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica e capacidade de calor específica.
Condições de medição
Um isolamento de feltro de grafite foi medido entre a temperatura ambiente e 90°C com o NETZSCH LFA 427 e, para fins de comparação, com o medidor de fluxo de calor NETZSCH HFM 436 Lambda. As espessuras dos corpos de prova foram de 5,4 mm e 20 mm, respectivamente. A DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade foi determinada como sendo de 0,082 g/cm3 a 20°C.
Resultados da medição
A Figura 3 mostra: a) os resultados da medição do LFA demonstrando o curso da Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica monitorada com base no modelo de penetração, b) os dados da literatura sobre a capacidade de calor específica do grafite POCO e c) a Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica calculada com base na equação:
com
λ = Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica
α = Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica
ρ = DensidadeA densidade de massa é definida como a relação entre massa e volume. densidade
Capacidade térmica específica (cp)A capacidade térmica é uma quantidade física específica do material, determinada pela quantidade de calor fornecida à amostra, dividida pelo aumento de temperatura resultante. A capacidade térmica específica está relacionada a uma unidade de massa do corpo de prova.cp = capacidade específica de calor
A medição do LFA foi avaliada primeiro com o modelo padrão (Cowan, [3]) e uma segunda vez com o modelo de penetração. A Figura 4 mostra claramente que a mesma medição produz resultados de Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica diferentes ao usar modelos de cálculo diferentes. A pergunta sobre qual é o melhor resultado pode ser respondida verificando o aumento do sinal (Figura 5).
A Figura 5 mostra o aumento do sinal do detector. O gráfico à esquerda mostra o uso do modelo padrão. Isso indica claramente que o modelo padrão produz um ajuste de modelo insuficiente. Nesse caso, a Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica é determinada como sendo 0,753 mm2/s, um valor muito alto para o material investigado. No entanto, o resultado é um excelente ajuste do modelo quando se usa um ajuste baseado no modelo de penetração (gráfico à direita). O valor de Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica resultante, a = 0,626 mm2/s, é aproximadamente 17% menor e, devido ao ajuste aprimorado, muito mais confiável do que o obtido com o modelo Cowan padrão.
A Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica é proporcional à Difusividade térmicaA difusividade térmica (a com a unidade mm2/s) é uma propriedade específica do material para caracterizar a condução de calor instável. Esse valor descreve a rapidez com que um material reage a uma mudança de temperatura.difusividade térmica e, portanto, os valores também são mais altos para materiais padrão. A confiabilidade dos resultados obtidos com o modelo de penetração é confirmada pelas medições de HFM no mesmo material. Os resultados do LFA e do HFM estão em boa concordância; o desvio máximo é inferior a ±6% (figura 6).
Conclusão
Juntamente com os vários modelos classical (por exemplo, Cowan 5 / 10, Parker, Cape-Lehman aprimorado, etc.), o software NETZSCH LFA Proteus® inclui muitos modelos de cálculo, correções e operações matemáticas diferentes. Um deles é o modelo Penetration, que é adequado especificamente para materiais porosos e materiais com superfície áspera. Esse recurso especial do software LFA Proteus® envolve a penetração do flash de luz no corpo de prova além da superfície aquecida real. Ele leva em conta a porosidade da amostra, o que faz com que uma parte da energia do flash de luz seja depositada dentro da amostra. Isso significa que o modelo de penetração leva em conta a absorção da energia do pulso em uma camada fina na espessura do corpo de prova. Outros métodos confiáveis, como o medidor de fluxo de calor (HFM), confirmam os resultados do LFA obtidos pela aplicação do modelo de penetração para o cálculo da difusividade/Condutividade térmicaA condutividade térmica (λ com a unidade W/(m-K)) descreve o transporte de energia - na forma de calor - por um corpo de massa como resultado de um gradiente de temperatura (veja a fig. 1). De acordo com a segunda lei da termodinâmica, o calor sempre flui na direção da temperatura mais baixa.condutividade térmica.