Введение
Благодаря своим превосходным магнитным и теплофизическим свойствам чистое железо часто используется в электромагнитных компонентах, где необходим эффективный теплообмен. В качестве примера можно привести сердечники трансформаторов, электродвигатели, индукционные катушки и компоненты силовой электроники, где возникают как магнитные, так и тепловые нагрузки. Поэтому точное понимание тепловых свойств в широком диапазоне температур необходимо для надежного проектирования компонентов и точного моделирования их рабочего поведения в реальных условиях.
Знание теплопроводности имеет решающее значение, поскольку она в значительной степени определяет, насколько эффективно тепло переносится внутри материала. В приложениях с использованием чистого железа, особенно в электромагнитных компонентах, она напрямую влияет на распределение температуры, теплоотвод, а значит, на безопасность эксплуатации и срок службы компонентов. Недостаточный отвод тепла может привести к локальному перегреву, снижению эффективности или даже выходу из строя. Поэтому точное понимание теплопроводности необходимо для теплового проектирования, оптимизации и моделирования промышленных систем.
Метод и условия измерения
Анализ лазерной вспышки (LFA, см. рис. 1) в основном используется для определения теплопроводности (α) материала. В сочетании с плотностью (ρ) и удельной теплоемкостью (Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp) можно рассчитать теплопроводность (λ) (λ = α - Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp - ρ).
Во время измерения нижняя часть образца нагревается коротким лазерным импульсом. Возникающее при этом повышение температуры на противоположной стороне регистрируется с помощью инфракрасного детектора. На основе этого температурного профиля во времени и соответствующих математических моделей можно определить теплопроводность материала.
Используя специальный сапфировый держатель для образцов расплавленных металлов (см. рис. 2), с помощью прибора LFA 707 StratoFlash®Classic непрерывно измерялась температуропроводность образца чистого железа при его переходе из твердого состояния в жидкое.
Удельную теплоемкость (Удельная теплоемкость (cp)Теплоемкость - это специфическая для каждого материала физическая величина, определяемая количеством тепла, подведенного к образцу, деленным на полученное повышение температуры. Удельная теплоемкость относится к единице массы образца.cp) определяли в диапазоне температур от комнатной до 1600°C на приборе DSC 500 Pegasus®, оснащенном родиевой печью. Условия измерений приведены в таблице 1.
Таблица 1: Условия измерения LFA
| Диапазон температур | RT - 1600°C |
| Держатель образца | Сапфир для расплавленных металлов |
| Размер образца | Ø 1,39 мм; толщина ~ 1,4 мм; плоскопараллельные поверхности |
| Покрытие | Графит |
| Удельная теплоемкость | С помощью прибора DSC 500 Pegasus® |
| Атмосфера | Ar |
| Скорость нагрева | Переменная от 10 до 20 К/мин |
| Энергия | 650 В; 600 мкс |
Результаты и обсуждение
На рисунке 3 показано типичное поведение чистого железа, включая переход Кюри (≈770°C). Как теплопроводность (красная кривая), так и удельная теплоемкость (черная кривая) демонстрируют отчетливые изменения в этой точке, с локальным минимумом и максимумом, соответственно. Таким образом, переход Кюри четко прослеживается в теплопроводности и удельной теплоемкости, в то время как теплопроводность (синяя кривая) в этой области не проявляет никакого влияния. В области плавления выше 1525°C теплопроводность и температуропроводность значительно уменьшаются, поскольку структура решетки разрушается и перенос тепла через фононы больше не происходит.
Резюме
От твердого тела к жидкости: С помощью прибора LFA 707 StratoFlash®Classic , оснащенного специальным сапфировым держателем образцов, можно непрерывно характеризовать металлы вплоть до расплава. Полученные данные дают ценное представление о зависящем от температуры поведении теплопроводности, формируя надежную основу для моделирования, выбора материалов и оптимизации компонентов даже в экстремальных условиях эксплуатации.