Введение
С момента разработки метода лазерной вспышки Паркером и др. в 1961 году [1] в этот метод были внесены различные усовершенствования для бесконтактного неразрушающего определения температуропроводности. В настоящее время аппаратное и программное обеспечение должно позволять проводить измерения на образцах различной геометрии, формы и вида. Стало необходимым, чтобы аппарат для лазерной/световой вспышки (LFA) мог тестировать не только твердые, но и порошкообразные, жидкие, крошащиеся и пористые образцы. По этой причине необходимо предусмотреть определенные аппаратные предпосылки, такие как специальные держатели образцов. Кроме того, для точного определения теплопроводности (a), теплопроводности (λ) и удельной теплоемкости (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) все большее значение приобретают программные модели, учитывающие влияние формы и вида образца.
В последние годы NETZSCH постоянно совершенствует и разрабатывает 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 данном приложении представлена модель Penetration, основанная на McMasters [2], для измерений на 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
Изоляция из графитового войлока была измерена при комнатной температуре до 90°C с помощью NETZSCH LFA 427 и, для сравнения, с помощью NETZSCH измерителя теплового потока HFM 436 Lambda. Толщина образцов составила 5,4 мм и 20 мм соответственно. Плотность была определена как 0,082 г/см3 при 20°C.
Результаты измерений
На рисунке 3 показаны: а) результаты измерений LFA, демонстрирующие ход контролируемой теплопроводности на основе модели Penetration, б) литературные данные по удельной теплоемкости графита POCO и в) расчетная теплопроводность на основе уравнения:
с
λ = теплопроводность
α = температуропроводность
ρ = плотность
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 = удельная теплоемкость.
Измерение LFA сначала оценивалось с помощью стандартной модели (Cowan, [3]), а во второй раз - с помощью модели Penetration. На рисунке 4 хорошо видно, что одно и то же измерение дает разные результаты теплопроводности при использовании разных расчетных моделей. На вопрос о том, какой результат лучше, можно ответить, проверив увеличение сигнала (рис. 5).
На рисунке 5 показан рост сигнала детектора. Левый график показывает использование стандартной модели. Он ясно показывает, что стандартная модель дает недостаточное соответствие модели. В этом случае теплопроводность определяется как 0,753 мм2/с- слишком большое значение для исследуемого материала. Однако при использовании модели, основанной на модели проникновения, получается отличная подгонка модели (правый график). Полученное значение теплопроводности, a = 0,626 мм2/с, примерно на 17 % ниже и, благодаря улучшенной подгонке, гораздо надежнее, чем полученное с помощью стандартной модели Кована.
Теплопроводность пропорциональна теплопроводности, поэтому и для стандартных материалов ее значения выше. Достоверность результатов, полученных с помощью модели Penetration, подтверждается измерениями HFM на том же материале. Результаты LFA и HFM находятся в хорошем согласии; максимальное отклонение составляет менее ±6% (рис. 6).
Заключение
Наряду с различными classicмоделями (например, Cowan 5 / 10, Parker, улучшенная модель Cape-Lehman и т.д.), программное обеспечение NETZSCH LFA Proteus® включает в себя множество различных расчетных моделей, поправок и математических операций. Одной из них является модель Penetration, которая подходит специально 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 часть энергии световой вспышки попадает внутрь образца. Это означает, что модель Penetration учитывает поглощение энергии импульса тонким слоем в толще образца. Другие надежные методы, такие как измеритель теплового потока (HFM), подтверждают результаты LFA, полученные с применением модели Penetration для расчета теплопроводности/диффузии.