Введение
Сплавы неодима являются ключевыми материалами для современных высокопроизводительных применений. В частности, они используются в качестве основы для высокоэффективных постоянных магнитов в электродвигателях, генераторах, ветровых турбинах, датчиках и жестких дисках. Наряду с магнитными свойствами решающую роль играют также теплофизические характеристики сплавов неодима. При высоких удельных мощностях и повышающихся рабочих температурах теплопроводность, удельная теплоемкость и коэффициент теплопроводности оказывают значительное влияние на тепловые характеристики материала. Эти свойства имеют решающее значение для эффективного управления тепловым режимом, предотвращения локального перегрева и обеспечения долгосрочной стабильности материала и его функциональных характеристик.
Особое значение здесь имеет знание тепловой диффузии, поскольку она характеризует скорость распространения изменения температуры внутри материала. На основе этого показателя в сочетании с плотностью и удельной теплоемкостью можно определить теплопроводность — ключевой параметр при проектировании деталей, подверженных тепловым нагрузкам.
Метод и условия измерения
Термофизические свойства неодимового сплава были определены с помощью LFA 717 HyperFlash® HT. Лазерный импульсный анализ является одним из наиболее проверенных методов измерения теплопроводности, он отличается высокой точностью и кратковременностью измерений. В ходе измерения передняя поверхность образца возбуждается коротким энергетическим импульсом, а возникающее в результате повышение температуры на задней поверхности регистрируется без контакта с инфракрасным детектором. На основе математической аппроксимации кривой по измеренному сигналу определяется теплопроводность.
Помимо тепловой диффузии, с помощью метода LFA по сравнительному методу была также определена удельная теплоемкость. Для этой цели использовался медный эталон с известными теплофизическими свойствами. Затем на основе тепловой диффузии, удельной теплоемкости и плотности была рассчитана теплопроводность. Точные условия измерения приведены в таблице 1.
Таблица 1: Условия измерения
| Материал | Сплав неодима |
| Держатель образца | Ø 8 мм, SiC |
| Программа нагрева | от комнатной температуры до 800 °C; с шагом 50 К |
| Размеры образца | Ø 8 мм, толщина: 2,8 мм |
| Покрытие | Графит |
| Ориентир дляУдельная 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 | Чистая медь |
| Атмосфера | Аргон |
| Скорость нагрева | 10 К/мин |
| Энергия импульса | 250 В / 600 мкс |
Результаты и обсуждение
На рисунке 1 представлены данные по тепловой диффузии, удельной теплоемкости и теплопроводности исследуемого неодимового сплава в диапазоне температур от комнатной до 800 °C. С повышением температуры все теплофизические характеристики имеют тенденцию к увеличению. Однако в диапазоне от примерно 300 °C до 350 °C удельная теплоемкость достигает явного максимума, в то время как теплопроводность одновременно формирует локальный минимум. Такое взаимосвязанное поведение указывает на переход, связанный с превращением Кюри в сплаве.
Обе эти характеристики чувствительны к структурным или магнитным изменениям в материале и позволяют однозначно идентифицировать соответствующий температурный диапазон.
Рассчитанная теплопроводность, однако, не демонстрирует выраженного пика перехода, а увеличивается практически непрерывно во всём диапазоне измерений. Такая картина обусловлена тем, что противоположные эффекты увеличения удельной теплоемкости и уменьшения тепловой диффузии в значительной степени компенсируют друг друга при расчёте теплопроводности. Поэтому влияние перехода на теплопроводность гораздо менее выражено, чем на отдельные параметры, измеряемые напрямую.
Результаты показывают, что при комбинированном определении тепловой диффузии и удельной теплоемкости с помощью метода LFA можно более точно оценить термофизические свойства материалов. В частности, на основе отдельных параметров можно надежно обнаруживать и интерпретировать аномалии, зависящие от температуры, такие как те, которые могут возникать вблизи перехода Кюри.
Резюме
Данная LFA 717 HyperFlash® HT позволяет проводить точную характеристику тепловых свойств при высоких температурах, в частности с помощью бесконтактного метода лазерного вспышки для определения тепловой диффузии. В сочетании с эталонными образцами и Density Determination также можно достоверно определить удельную теплоемкость и теплопроводность.