Введение
Программные модели, учитывающие влияние формы и поверхности образцов, становятся все более важными для точного определения теплофизических свойств (ТФС), таких как теплопроводность (a), теплопроводность (λ) и удельная 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). По этой причине в последние годы NETZSCH постоянно совершенствует существующие модели LFA (laser flash analysis) и разрабатывает новые расчетные модели, поправки и математические операции, учитывающие тепловые потери в сочетании с импульсной коррекцией, излучением, многослойными системами, испытаниями в плоскости, коррекцией базовой линии и т. д.
В данной прикладной записке представлена модель Penetration, основанная на модели McMasters [1]. Она подходит для измерений на материалах с шероховатой поверхностью и на чрезвычайно пористых материалах.
Пористые материалы - это вызов, но не для модели проникновения
При стандартных измерениях вспышки передняя поверхность образца поглощает всю энергию. Затем тепловая волна проходит через всю толщину образца, прежде чем достигнет задней поверхности (рис. 1). Для пористых материалов на сайте NETZSCH появилась модель Penetration (рис. 2), которая учитывает следующие соображения:
- Поглощение энергии импульса больше не ограничивается передней поверхностью.
- Поглощение распространяется тонким слоем на всю толщину образца
- Поглощающие слои можно рассматривать как средний свободный путь в материале
Учет этих аспектов приводит к экспоненциально затухающему начальному распределению температуры в образце. Применение этого подхода, учитывающего пористость материала, приводит к повышению точности и достоверности определяемых значений теплопроводности, температуропроводности и удельной теплоемкости.
Условия измерения
Для проверки пригодности модели Penetration были проведены измерения двух наполненных полимеров одного типа, но разной формы. Одно измерение проводилось на образце с поверхностью, покрытой отверстиями диаметром 0,5 мм. Для сравнения второе измерение было проведено на исходном образце с гладкой поверхностью (рис. 3). Теплопроводность определялась на образцах толщиной 12,7 мм и диаметром 1,96 мм при комнатной температуре.
Результаты измерений
На рисунках 4 и 5 показаны измерения на образце с отверстиями. На рисунке 4 модельная подгонка сигнала нарастания детектора (красная кривая) получена с помощью стандартной модели Коуэна [2]. Зеленый круг указывает на область отклонений между моделью и кривой измерений (синий). При таком - явно недостаточном - подгоне модели тепловая диффузия рассчитывается на уровне 0,753 мм2/с. Расчет на основе модели Penetration дает тепловую диффузию 0,626 мм2/с, что почти на 17 % меньше (рис. 5).
На рисунке 6 показан рост сигнала детектора при измерении на оригинальном заполненном полимерном диске с гладкой поверхностью. Использование стандартной модели Коуэна для определения тепловой диффузии дает практически те же результаты измерений, что и при использовании модели Penetration для образца с отверстиями (рис. 5). Отклонение составляет около 3 %. Это доказывает, что расчет тепловой диффузии на основе модели Penetration дает правильные результаты.
Заключение
Наряду с различными моделями classic(например, Cowan 5 /10, Parker, улучшенная модель Cape-Lehman и т. д.), программное обеспечение NETZSCH LFA Proteus® включает множество различных расчетных моделей, поправок и математических операций. Модель Penetration специально подходит для пористых материалов и материалов с шероховатой поверхностью. Эта специальная функция программного обеспечения LFA Proteus® включает в себя проникновение световой вспышки в образец за пределы фактической нагретой поверхности. Она учитывает пористость образца, из-за которой большая часть энергии световой вспышки попадает внутрь образца. Это означает, что модель Penetration учитывает поглощение энергии импульса тонким слоем в толще образца. Измерения на образцах одного и того же образца, но с очень разной структурой поверхности (гладкой и пористой), подтверждают правильность модели Penetration.