Inledning
Molybden har funnits tillgängligt som standard för specifik värme från NIST [1] i flera decennier, men det finns inte mycket information om dess egenskaper, t.ex. termisk expansion, värmediffusivitet och Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga. Enligt litteraturen [1, 2, 3, 4] ska rent molybden inte uppvisa några fasförändringar fram till smältpunkten. Detta är dock kritiskt eftersom det är känsligt för syre vid förhöjda temperaturer. På grund av det höga ångtrycket hos molybdenoxiderna ändrar materialet i allmänhet inte egenskaper på grund av ytoxidation. De oxider som bildas avdunstar helt enkelt från ytan. Alla dessa speciella egenskaper hos molybden gör det till ett rimligt ämne för ett standardmaterial med flera egenskaper.
Experimentell
Mätning av olika termofysikaliska egenskaper som termisk expansion, densitetsförändring, specifik värme och Termisk diffusivitetTermisk diffusivitet (a med enheten mm2/s) är en materialspecifik egenskap för att karakterisera instationär värmeledning. Detta värde beskriver hur snabbt ett material reagerar på en temperaturförändring.termisk diffusivitet utfördes på ett rent (99,99%) molybdenmaterial. Pushrod dilatometry (DIL) användes för mätning av den termiska expansionen och bestämning av densitetsförändringen. Differentiell skanningskalorimetri (DSC) användes för att mäta den specifika värmen. Den termiska diffusiviteten bestämdes med hjälp av laser flash-tekniken (LFA). Testresultaten ger en detaljerad inblick i materialets beteende under värmebehandling och det var också möjligt att bestämma värmeledningsförmågan. En jämförelse av alla testresultat med tillgängliga litteraturdata gjordes.
Testerna utfördes på olika prover från det ursprungliga blocket och mättes mellan -125°C och 1400°C. Därför var det möjligt att utvärdera detta material som en möjlig kandidat för ett standardmaterial för olika termofysikaliska egenskaper över ett brett temperaturområde.
Den rena molybdenen (99,99 %) levererades av Plansee SE, Reutte, Österrike. Ett large block, 30 mm i diameter och 120 mm i längd användes för analysen. Från cylinderblocket bereddes olika prover för de olika testteknikerna. För varje mätmetod förbereddes två prover som testades två till tre gånger. Materialets termiska stabilitet och homogenitet kontrollerades och testresultatens repeterbarhet fastställdes.
Testresultat
I figur 1 visas de uppmätta värmeutvidgningsresultaten för de två olika molybdenproverna som mätts två gånger. Dataspridningen mellan proverna och de olika experimenten ligger i allmänhet inom ±1,5%. Med tanke på noggrannheten och repeterbarheten hos det använda instrumentet, inverkan av yteffekter och inverkan av avdunstning av oxider, ligger spridningen av data inom ett acceptabelt intervall. Resultaten ger ingen indikation på materialhomogeniteter eller förändringar i de termiska expansionsvärdena mellan de olika värmekörningarna.
I figur 2 visas den volymetriska expansionen och densitetsförändringen för molybden mot temperaturen. Den volymetriska expansionen bestämdes utifrån den uppmätta termiska expansionen med antagande om ett isotropiskt beteende hos materialet och därför samma expansionsbeteende i alla riktningar. Densitetsberäkningen baserades på den volymetriska expansionen och rumstemperaturens bulkdensitet på 10,216 g.cm-3. Bulkdensiteten vid rumstemperatur bestämdes från det ursprungligen levererade provblocket genom att mäta massa och volym.
Figur 3 visar de specifika värmevärden som uppmätts med differentialskanningskalorimetern. Även här mättes båda proverna två gånger i lågtemperaturstålugnen (-125°C till 300°C) och i högtemperaturplatinaugnarna (300°C till 1275°C). Avvikelsen mellan de enskilda resultaten låg inom ±2,0% och därmed med god marginal inom den angivna osäkerheten för det instrument som användes för testerna. Värdena visar en kraftig ökning mot temperaturen i lågtemperaturområdet. Detta beteende kan förväntas enligt den välkända Debye-teorin [5]. Vid höga temperaturer ökar värdena nästan linjärt. Detta är i perfekt överensstämmelse med solid state-fysiken (Dulong och Petits regel, [5]). Inga överlappande övergångar eller andra termiska effekter detekterades inom detta temperaturområde, vilket tydligt indikerar att ingen fasförändring sker i materialet mellan -125°C och 1275°C. Detta uppfyller villkoren för ett standardmaterial eftersom inga strukturella förändringar sker inom det aktuella temperaturområdet.
Figur 4 visar mätresultaten för den termiska diffusiviteten som samlats in från de olika flashenheter som användes för testerna. Man kan tydligt se att den termiska diffusiviteten minskar med temperaturen. Minskningen följer T-1-beteendet under 600°C och resulterar i en nästan linjär minskning vid högre temperaturer. Ett sådant beteende är typiskt för material som huvudsakligen är fononledande, t.ex. keramik eller grafitmaterial. Därför kan det vara så att elektronernas bidrag till värmeöverföringen är small för detta metalliska material. Spridningen av mätresultaten varierar från körning till körning och från prov till prov och ligger i allmänhet inom ±2%. Endast vid 1000°C erhölls en något högre spridning (±3%). En möjlig förklaring till detta kan vara att förångningen av molybdenoxider i detta temperaturområde påverkar provets emissivitet och därmed absorptionen av laserljus och emissionen av infrarött ljus.
I figur 5 visas resultaten av värmeledningsförmågan som bestämts genom att multiplicera uppmätt TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet, specifik värme och värmediffusivitet. Densitetsdata under rumstemperatur och specifik värme över 1275°C bestämdes genom en linjär extrapolering av mätdata. Man kan tydligt se att värmeledningsförmågan följer temperaturberoendet hos värmediffusiviteten. En jämförelse med litteraturvärden [6] har också gjorts. Med en noggrannhet på 5% för litteraturvärdena och en osäkerhet på 3% för värdena baserade på mätningen, är resultaten i mycket god överensstämmelse.
Slutsats
Olika termofysikaliska egenskaper (termisk expansion, densitetsförändring, specifik värme, värmediffusivitet, Termisk konduktivitetVärmekonduktivitet (λ med enheten W/(m-K)) beskriver transporten av energi - i form av värme - genom en masskropp som ett resultat av en temperaturgradient (se fig. 1). Enligt termodynamikens andra huvudsats strömmar värme alltid i riktning mot den lägre temperaturen.värmeledningsförmåga) mättes på molybden med hög renhet. Jämförelsen med litteraturvärden visade att mätresultaten var av hög kvalitet och att materialet var tillförlitligt. Av testresultaten kan man dra slutsatsen att ren molybden kan vara en rimlig kandidat för att användas som standardmaterial upp till höga temperaturer över 1200°C. Det kan användas som en kalibreringsstandard för olika termofysikaliska egenskaper. Ytterligare tester vid olika laboratorier och testinstitut skulle uppskattas för att bevisa materialets kapacitet.