Inledning
På grund av sina utmärkta magnetiska och termofysiska egenskaper används rent järn ofta i elektromagnetiska komponenter där effektiv värmeöverföring är avgörande. Exempel på detta är transformatorkärnor, elmotorer, induktionsspolar och komponenter i kraftelektronik, där både magnetiska och termiska påfrestningar förekommer. Exakta kunskaper om de termiska egenskaperna över ett brett temperaturområde är därför avgörande för att kunna konstruera komponenter på ett tillförlitligt sätt och för att kunna simulera deras operativa beteende under verkliga förhållanden.
Kunskap om värmeledningsförmågan är avgörande eftersom den i hög grad avgör hur effektivt värme transporteras inom ett material. I tillämpningar med rent järn, särskilt i elektromagnetiska komponenter, har den en direkt inverkan på temperaturfördelningen, värmeavledningen och därmed på komponenternas driftsäkerhet och livslängd. Otillräcklig värmeavledning kan leda till lokal överhettning, minskad effektivitet eller till och med fel. Därför är en exakt förståelse av värmeledningsförmågan avgörande för termisk design, optimering och simulering av industriella system.
Metod och mätförhållanden
Laser flash analysis (LFA, se figur 1) används främst för att bestämma den termiska diffusiviteten (α) hos ett material. I kombination med TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet (ρ) och Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.specifik värmekapacitet (Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp) kan värmeledningsförmågan (λ) beräknas (λ = α - Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp - ρ).
Under mätningen värms provets botten upp med en kort laserpuls. Den resulterande temperaturökningen på den motsatta sidan detekteras med hjälp av en infraröd detektor. Materialets värmediffusivitet kan sedan bestämmas baserat på denna temperaturprofil över tid och motsvarande matematiska modeller.
Med hjälp av en speciell safirprovhållare för smälta metaller (se figur 2) mättes den termiska diffusiviteten hos ett rent järnprov kontinuerligt med LFA 707 StratoFlash® Classic när det övergick från fast till flytande tillstånd.
Den specifika värmekapaciteten (Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.cp) bestämdes i temperaturintervallet från rumstemperatur till 1600°C med hjälp av DSC 500 Pegasus®, utrustad med en rodiumugn. Mätförhållandena beskrivs i detalj i tabell 1.
Tabell 1: Mätförhållanden för LFA
| Temperaturområde | RT - 1600°C |
| Hållare för prov | Safir för smälta metaller |
| Storlek på provet | Ø 1,39 mm; tjocklek ~ 1,4 mm; planparallella ytor |
| Beläggning | Grafit |
| Specifik värmekapacitet (cp)Värmekapacitet är en materialspecifik fysikalisk storhet som bestäms av den värmemängd som tillförs provkroppen, dividerat med den resulterande temperaturökningen. Den specifika värmekapaciteten är relaterad till en massa-enhet av provkroppen.Specifik värmekapacitet | Med hjälp av DSC 500 Pegasus® |
| Atmosfär | Ar |
| Uppvärmningshastighet | Variabel 10 till 20 K/min |
| Energi | 650 V; 600 μs |
Resultat och diskussion
Figur 3 visar det typiska beteendet hos rent järn, inklusive Curie-övergången (≈770°C). Både den termiska diffusiviteten (röd kurva) och den specifika värmekapaciteten (svart kurva) uppvisar tydliga förändringar vid denna punkt, med ett lokalt minimum respektive maximum. Curie-övergången kan alltså tydligt ses i den termiska diffusiviteten och den specifika värmekapaciteten, medan värmeledningsförmågan (blå kurva) inte visar någon effekt i detta område. I smältområdet över 1525°C minskar värmediffusiviteten och värmeledningsförmågan avsevärt eftersom gitterstrukturen bryts ned och värmetransport via fononer inte längre förekommer.
Sammanfattning
Från fast ämne till vätska: Med hjälp av LFA 707 StratoFlash® Classic , som är utrustad med en speciell provhållare i safir, kan metaller kontinuerligt karakteriseras ända ner till smältan. De data som erhålls ger värdefulla insikter i den temperaturberoende värmeledningsförmågan och utgör en tillförlitlig grund för simulering, materialval och komponentoptimering, även under extrema driftsförhållanden.