Introducere
Datorită proprietăților sale magnetice și termofizice excelente, fierul pur este frecvent utilizat în componente electromagnetice în care transferul eficient de căldură este esențial. Exemplele includ miezurile transformatoarelor, motoarele electrice, bobinele de inducție și componentele din electronica de putere, unde apar atât tensiuni magnetice, cât și termice. Prin urmare, înțelegerea precisă a proprietăților termice pe o gamă largă de temperaturi este esențială pentru proiectarea fiabilă a componentelor și simularea precisă a comportamentului lor operațional în condiții reale.
Cunoașterea conductivității termice este esențială, deoarece determină în mod semnificativ eficiența cu care căldura este transportată în interiorul unui material. În aplicațiile care implică fierul pur, în special în componentele electromagnetice, aceasta influențează în mod direct distribuția temperaturii, disiparea căldurii și, astfel, siguranța în funcționare și durata de viață a componentelor. Disiparea insuficientă a căldurii poate duce la supraîncălzire locală, eficiență redusă sau chiar defectare. Prin urmare, înțelegerea exactă a conductivității termice este esențială pentru proiectarea, optimizarea și simularea termică a sistemelor industriale.
Metodă și condiții de măsurare
Analiza flash cu laser (LFA, a se vedea figura 1) este utilizată în principal pentru a determina difuzivitatea termică (α) a unui material. Atunci când se combină cu densitatea (ρ) și capacitatea termică specifică (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), se poate calcula conductivitatea termică (λ) (λ = α - 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 - ρ).
În timpul măsurătorii, partea inferioară a probei este încălzită de un impuls laser scurt. Creșterea de temperatură rezultată pe partea opusă este detectată cu ajutorul unui detector infraroșu. Difuzivitatea termică a materialului poate fi apoi determinată pe baza acestui profil de temperatură în timp și a modelelor matematice corespunzătoare.
Folosind un suport de probă din safir special pentru metale topite (a se vedea figura 2), difuzivitatea termică a unei probe de fier pur a fost măsurată în mod continuu cu LFA 707 StratoFlash®Classic în timp ce aceasta trecea de la starea solidă la cea lichidă.
Capacitatea termică specifică (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) a fost determinată în intervalul de temperatură de la temperatura camerei până la 1600°C cu ajutorul DSC 500 Pegasus®, echipat cu un cuptor cu rodiu. Condițiile de măsurare sunt detaliate în tabelul 1.
Tabelul 1: Condiții de măsurare LFA
| Interval de temperatură | RT - 1600°C |
| Suport de probă | Sapphire pentru metale topite |
| Dimensiunea probei | Ø 1,39 mm; grosime ~ 1,4 mm; suprafețe plan-paralele |
| Acoperire | Grafit |
| Capacitate termică specifică | Cu ajutorul DSC 500 Pegasus® |
| Atmosferă | Ar |
| Viteza de încălzire | Variabilă între 10 și 20 K/min |
| Energie | 650 V; 600 μs |
Rezultate și discuții
Figura 3 prezintă comportamentul tipic al fierului pur, inclusiv tranziția Curie (≈770°C). Atât difuzivitatea termică (curba roșie), cât și capacitatea termică specifică (curba neagră) prezintă modificări distincte în acest punct, cu un minim și, respectiv, un maxim local. Astfel, tranziția Curie poate fi observată clar în difuzivitatea termică și în capacitatea termică specifică, în timp ce conductivitatea termică (curba albastră) nu prezintă niciun efect în această regiune. În intervalul 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 de peste 1525°C, difuzivitatea termică și conductivitatea termică scad semnificativ, deoarece structura rețelei se descompune și nu mai are loc transportul căldurii prin fononi.
Rezumat
De la solid la lichid: Cu ajutorul aparatului LFA 707 StratoFlash®Classic , echipat cu un suport special pentru probe din safir, metalele pot fi caracterizate continuu până la topitură. Datele rezultate oferă informații valoroase privind comportamentul conductivității termice în funcție de temperatură, constituind o bază fiabilă pentru simulare, selectarea materialelor și optimizarea componentelor, chiar și în condiții de funcționare extreme.