Introducere
Molibdenul a fost disponibil ca standard de căldură specifică la NIST [1] timp de mai multe decenii, deși nu sunt disponibile prea multe informații cu privire la proprietăți precum dilatarea termică, difuzivitatea termică și conductivitatea termică. În conformitate cu literatura de specialitate [1, 2, 3, 4], molibdenul pur nu ar trebui să prezinte schimbări de fază până la punctul de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire. Acest lucru este, totuși, critic, deoarece este sensibil la oxigen la temperaturi ridicate. Datorită presiunii ridicate de vapori a oxizilor de molibden, materialul nu își schimbă, în general, proprietățile din cauza oxidării de suprafață. Oxizii formați se evaporă pur și simplu de la suprafață. Toate aceste proprietăți speciale ale molibdenului îl fac o substanță rezonabilă pentru un material standard multiproprietate.
Experimental
Măsurarea diferitelor proprietăți termofizice, cum ar fi expansiunea termică, modificarea densității, căldura specifică și difuzivitatea termică au fost efectuate pe un material de molibden pur (99,99%). Dilatometria cu tijă de împingere (DIL) a fost utilizată pentru măsurarea expansiunii termice și determinarea variației densității. Calorimetria cu scanare diferențială (DSC) a fost utilizată pentru măsurarea căldurii specifice. Difuzivitatea termică a fost determinată cu ajutorul tehnicii laser flash (LFA). Rezultatele testelor permit o înțelegere detaliată a comportamentului materialului sub tratament termic și a fost posibilă, de asemenea, determinarea conductivității termice. A fost efectuată o comparație a tuturor rezultatelor testelor cu datele disponibile în literatura de specialitate.
Testele au fost efectuate pe diferite probe preparate din blocul original și măsurate între -125°C și 1400°C. Prin urmare, a fost posibil să se evalueze acest material ca posibil candidat pentru un material standard pentru diferite proprietăți termofizice pe o gamă largă de temperaturi.
Molibdenul pur (99,99%) a fost furnizat de Plansee SE, Reutte, Austria. Pentru analiză a fost utilizat un bloc large, cu diametrul de 30 mm și lungimea de 120 mm. Din blocul cilindric, au fost pregătite probe diferite pentru diferitele tehnici de testare. Pentru fiecare metodă de măsurare, au fost pregătite două probe și testate de două-trei ori. Au fost verificate stabilitatea termică și omogenitatea materialului și a fost determinată repetabilitatea rezultatelor testelor.
Rezultatele testelor
În figura 1 sunt prezentate rezultatele măsurate ale expansiunii termice pentru cele două probe diferite de molibden măsurate de două ori. Dispersia datelor între probe și diferitele experimente se situează, în general, între ±1,5%. Având în vedere precizia și repetabilitatea instrumentului utilizat, influențele efectelor de suprafață și impactul evaporării oxizilor, dispersia datelor este acceptabilă. Rezultatele nu indică neomogenități ale materialului sau modificări ale valorilor dilatației termice între diferitele cicluri de încălzire.
În figura 2 sunt reprezentate expansiunea volumetrică și modificarea densității molibdenului în funcție de temperatură. Expansiunea volumetrică a fost determinată din expansiunea termică măsurată, presupunând un comportament izotrop al materialului și, prin urmare, același comportament de expansiune în toate direcțiile. Calculul densității s-a bazat pe expansiunea volumetrică și pe densitatea aparentă la temperatura camerei de 10,216 g.cm-3. Densitatea aparentă la temperatura camerei a fost determinată din blocul de probe furnizat inițial prin măsurarea masei și a volumului.
Figura 3 prezintă valorile căldurii specifice măsurate cu calorimetrul cu scanare diferențială. Din nou, ambele probe au fost măsurate de două ori în cuptorul de oțel la temperatură joasă (-125°C la 300°C) și în cuptorul de platină la temperatură înaltă (300°C la 1275°C). Abaterea dintre rezultatele individuale a fost de ± 2,0 % și, prin urmare, se încadrează de departe în incertitudinea declarată a instrumentului utilizat pentru teste. Valorile arată o creștere puternică în funcție de temperatură în domeniul temperaturilor scăzute. Acest comportament poate fi așteptat în conformitate cu cunoscuta teorie Debye [5]. La temperaturi ridicate, valorile cresc aproape liniar. Acest lucru este în perfectă concordanță cu fizica stării solide (regula lui Dulong și Petit, [5]). Nu au fost detectate tranziții suprapuse sau alte efecte termice în acest interval de temperatură, indicând în mod clar că nu are loc nicio schimbare de fază în material între -125°C și 1275°C. Acest lucru îndeplinește condiția de material standard, deoarece nu are loc nicio modificare structurală în intervalul de temperatură de interes.
Figura 4 prezintă rezultatele măsurătorilor difuzivității termice colectate de la diferitele dispozitive flash utilizate pentru teste. Se poate observa clar că difuzivitatea termică scade în funcție de temperatură. Scăderea urmează comportamentul T-1 sub 600 °C, rezultând o scădere aproape liniară la temperaturi mai ridicate. Un astfel de comportament este tipic pentru materialele predominant conductoare de fononi, cum ar fi materialele ceramice sau grafitul. Prin urmare, ar putea fi cazul în care contribuția electronilor la transferul de căldură este small pentru acest material metalic. Împrăștierea rezultatelor măsurătorilor variază de la o execuție la alta și de la o probă la alta și se încadrează, în general, în ±2%. Numai la 1000°C, s-a obținut o împrăștiere ușor mai mare (±3%). O posibilă explicație ar putea fi evaporarea oxizilor de molibden în acest interval de temperatură, care influențează emisivitatea probelor și, prin urmare, absorbția luminii laser și emisia luminii infraroșii.
În figura 5 sunt prezentate rezultatele conductivității termice determinate prin înmulțirea densității, căldurii specifice și difuzivității termice măsurate. Datele privind densitatea sub temperatura camerei și căldura specifică peste 1275°C au fost determinate printr-o extrapolare liniară a datelor măsurate. Se poate observa clar că conductivitatea termică urmează dependența de temperatură a difuzivității termice. S-a efectuat, de asemenea, o comparație cu valorile din literatura de specialitate [6]. Presupunând o precizie de 5% a valorilor din literatură și o incertitudine de 3% a valorilor bazate pe măsurători, rezultatele sunt în concordanță foarte bună.
Concluzie
Au fost măsurate diverse proprietăți termofizice (dilatarea termică, modificarea densității, căldura specifică, difuzivitatea termică, conductivitatea termică) ale molibdenului de înaltă puritate. Comparația cu valorile din literatura de specialitate a indicat calitatea rezultatelor măsurătorilor și fiabilitatea materialului. Se poate presupune, pe baza rezultatelor testelor, că molibdenul pur ar putea fi un candidat rezonabil pentru a fi utilizat ca material standard până la temperaturi ridicate de peste 1200°C. Acesta poate fi utilizat ca etalon de calibrare pentru diferite proprietăți termofizice. Teste suplimentare în diferite laboratoare și institute de testare ar fi apreciate pentru a dovedi capacitatea materialului.