Introducere
De la dezvoltarea metodei laser flash de către Parker et al. în 1961 [1], au fost aduse diverse îmbunătățiri acestei metode pentru determinarea fără contact, nedistructivă a difuzivității termice. În prezent, hardware-ul și software-ul ar trebui să permită măsurători pe diferite geometrii, forme și forme ale probelor. A devenit necesar ca aparatul laser/light flash (LFA) să poată testa nu numai solide, ci și probe pulverulente, lichide, sfărâmate și poroase. Din acest motiv, trebuie asigurate anumite condiții prealabile hardware, cum ar fi suporturi specifice pentru probe. În plus, modelele software care iau în considerare influența formei specimenului devin din ce în ce mai importante pentru determinarea precisă a difuzivității termice (a), a conductivității termice (λ) și a capacității termice specifice (Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp).
În ultimii ani, NETZSCH a îmbunătățit și a dezvoltat în mod continuu modele de calcul, corecții și operații matematice care iau în considerare pierderea de căldură în combinație cu corecția pulsului, radiația, sistemele multistrat, încercările în plan, corecțiile liniei de bază etc. Această notă de aplicare prezintă modelul de penetrare bazat pe McMasters [2] pentru măsurători pe materiale poroase.
Materialele poroase sunt o provocare - dar nu pentru modelul de penetrare
Pentru măsurătorile flash standard, fața frontală a epruvetei absoarbe energia totală. O undă termică se va deplasa apoi prin grosimea epruvetei înainte de a ajunge la fața din spate (figura 1). Pentru materialele poroase, NETZSCH a introdus acum modelul de penetrare (figura 2) care include următoarele considerente:
- Absorbția energiei impulsului nu mai este limitată la fața frontală
- Absorbția se extinde pe un strat subțire în grosimea specimenului
- Straturile de absorbție pot fi tratate ca drum liber mediu în material
Luând în considerare aceste aspecte, se obține o distribuție a temperaturii inițiale care scade exponențial în interiorul epruvetei. Aplicarea acestei abordări, care ține seama de porozitatea materialului, duce la o mai mare acuratețe și precizie a valorilor determinate ale difuzivității termice, conductivității termice și capacității termice specifice.
Condiții de măsurare
O izolație din pâslă de grafit a fost măsurată între temperatura camerei și 90°C cu NETZSCH LFA 427 și, pentru comparație, cu NETZSCH debitmetru de căldură HFM 436 Lambda. Grosimea probelor s-a ridicat la 5,4 mm și, respectiv, 20 mm. Densitatea a fost stabilită la 0,082 g/cm3 la 20°C.
Rezultatele măsurătorilor
Figura 3 prezintă: a) rezultatele măsurătorilor LFA care demonstrează evoluția difuzivității termice monitorizate pe baza modelului Penetration, b) datele din literatura de specialitate privind capacitatea termică specifică a grafitului POCO și c) conductivitatea termică calculată pe baza ecuației
cu
λ = conductivitate termică
α = difuzivitate termică
ρ = DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate
Capacitate termică specifică (cp)Capacitatea termică este o mărime fizică specifică materialului, determinată de cantitatea de căldură furnizată specimenului, împărțită la creșterea de temperatură rezultată. Capacitatea termică specifică este raportată la o unitate de masă a specimenului.cp = capacitate termică specifică
Măsurarea LFA a fost evaluată mai întâi cu modelul standard (Cowan, [3]) și a doua oară cu modelul Penetration. Figura 4 arată în mod clar că aceeași măsurătoare produce rezultate diferite ale conductivității termice atunci când se utilizează modele de calcul diferite. La întrebarea care este rezultatul mai bun se poate răspunde prin verificarea creșterii semnalului (figura 5).
Figura 5 prezintă creșterea semnalului detectorului. Graficul din stânga descrie utilizarea modelului standard. Acesta indică în mod clar că modelul standard produce o potrivire insuficientă a modelului. În acest caz, difuzivitatea termică este determinată a fi de 0,753 mm2/s- o valoare prea mare pentru materialul investigat. Cu toate acestea, se obține o potrivire excelentă a modelului atunci când se utilizează o potrivire bazată pe modelul Penetrației (graficul din dreapta). Valoarea difuzivității termice rezultate, a = 0,626 mm2/s, este cu aproximativ 17% mai mică și, datorită ajustării îmbunătățite, mult mai fiabilă decât cea obținută cu modelul Cowan standard.
Conductivitatea termică este proporțională cu difuzivitatea termică și, prin urmare, valorile sunt mai mari și pentru materialele standard. Fiabilitatea rezultatelor obținute cu modelul Penetration este confirmată de măsurătorile HFM pe același material. Rezultatele LFA și HFM sunt în bună concordanță; abaterea maximă este mai mică de ±6% (figura 6).
Concluzie
Pe lângă diferitele modele clasice (de exemplu, Cowan 5 / 10, Parker, Cape-Lehman îmbunătățit etc.), software-ul NETZSCH LFA Proteus® include multe modele de calcul, corecții și operații matematice diferite. Unul dintre acestea este modelul de penetrare, care este adecvat în special pentru materiale poroase și materiale cu o suprafață rugoasă. Această caracteristică specială a software-ului LFA Proteus® implică pătrunderea blițului de lumină în specimen dincolo de suprafața încălzită efectivă. Aceasta ține cont de porozitatea specimenului, care face ca o parte din energia blițului luminos să fie depusă în interiorul specimenului. Aceasta înseamnă că modelul de penetrare ia în considerare absorbția energiei pulsului pe un strat subțire în grosimea epruvetei. Alte metode fiabile, cum ar fi contorul de flux termic (HFM), confirmă rezultatele LFA obținute prin aplicarea modelului Penetration pentru calcularea difuzivității/conductivității termice.