Termisk diffusivitet hos metaller som en funktion av kornstorlek

Inledning

Tillsammans med värmeledningsförmågan, λ, är värmediffusiviteten, a, en viktig termofysikalisk parameter. I motsats till värmeledningsförmågan, som beskriver stationär värmeöverföring, är värmediffusiviteten, α, en parameter för ett materials transienta värmeöverföring. För att beräkna värmeledningsförmågan krävs förutom 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}, och densiteten, ρ , även värmediffusiviteten, a:

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}

Den specifika värmekapaciteten är endast beroende av den kemiska sammansättningen. Densiteten är en funktion av den makroskopiska strukturen i ett material (t.ex. porer). Den termiska diffusiviteten beror på makrostrukturen, men också delvis på mikrostrukturen i ett prov.

I det följande visas den termiska diffusiviteten för ett kopparprov som en funktion av kornstorleken. Som regel gäller att ju mindre kornstorleken är (= ju fler korngränser), desto lägre är den termiska diffusiviteten. Strukturen hos ett kopparprov som tillverkats med hjälp av additiv tillverkning kännetecknas av många small korn och därmed många korngränser, på grund av de relativt korta uppvärmnings- och snabba kylcyklerna. Temperering av provet (1 h vid 1000°C) ger en struktur med betydligt större korn och därmed färre korngränser. En jämförelse av mikrostrukturerna visas i figur 1.

Mätförhållanden

Mätningen av den termiska diffusiviteten vid rumstemperatur för de två kopparproverna utfördes med LFA 467 HyperFlash^®. LFA-proverna hade en diameter på 12,7 mm och en tjocklek på 3 mm. Före mätningen belades proverna lätt, men inte ogenomskinligt, med grafit för att förbättra kopparprovernas emissions- och absorptionsegenskaper.

Resultat av mätning

Resultaten sammanfattas i tabell 1. Det härdade provet, med 116,88 mm²/s, uppvisar nästan litteraturvärdet för ren koppar, 117 mm²/s [1]. Kopparprovet direkt efter additiv tillverkning, med en mindre kornig mikrostruktur, uppvisar en betydligt lägre 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 på 108,97 mm²/s.

Slutsats

LFA är en beröringsfri mätmetod som på ett tillförlitligt sätt kan lösa även small skillnader, till exempel sådana som orsakas av en förändring i mikrostrukturen, utan störande inverkan av KontaktmotståndEnligt termodynamikens andra huvudsats går värmeöverföringen mellan två system alltid i riktning från högre till lägre temperaturer. Mängden värmeenergi som överförs genom värmeledning, t.ex. genom en vägg i en byggnad, påverkas av betongväggens och isoleringsskiktets värmemotstånd.kontaktmotstånd.

Bekräftelse

Vi vill tacka Infinite Flex GmbH för additiv tillverkning och anlöpning av kopparproverna och Bayreuths universitet, Department of Metals, för tillhandahållandet av mikrograferna.

Tabell 1: 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 för ren koppar med olika strukturer vid rumstemperatur