Inledning
Mjukvarumodeller som tar hänsyn till påverkan av provkropparnas form och yta blir allt viktigare för exakt bestämning av termofysikaliska egenskaper (TPP) som värmediffusivitet (a), 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 (λ) 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). Av denna anledning har NETZSCH under de senaste åren varit engagerad i att kontinuerligt förbättra befintliga LFA-modeller (laser flash analysis) och att utveckla nya beräkningsmodeller, korrigeringar och matematiska operationer med hänsyn till värmeförlust i kombination med pulskorrigering, strålning, flerskiktssystem, tester i plan, baslinjekorrigeringar etc.
I den här applikationsnoten presenteras penetrationsmodellen baserad på McMasters [1]. Den lämpar sig för mätningar på material med skrovliga ytor och på extremt porösa material.
Porösa material är en utmaning - men inte för Penetrationsmodell
Vid vanliga blixtmätningar absorberar provkroppens framsida den totala energin. En termisk våg kommer sedan att färdas genom provkroppens tjocklek innan den når baksidan (figur 1). För porösa material har NETZSCH nu introducerat Penetration-modellen (figur 2) som inkluderar följande överväganden:
- Absorptionen av pulsenergin är inte längre begränsad till framsidan
- Absorptionen sträcker sig över ett tunt skikt i provkroppens tjocklek
- Absorptionsskikt kan hanteras som den genomsnittliga fria vägen i materialet
Beaktandet av dessa aspekter resulterar i en exponentiellt avtagande initial temperaturfördelning inom provkroppen. Tillämpningen av detta tillvägagångssätt, som tar hänsyn till materialets porositet, resulterar i förbättrad noggrannhet och precision för de bestämda värdena för 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 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.
Mätförhållanden
För att testa Penetrationsmodellens lämplighet mättes två fyllda polymerer av samma typ men med olika form. En mätning utfördes på en provkropp med en yta som var täckt med borrhål med en diameter på 0,5 mm. För jämförelsens skull utfördes en andra mätning på originalprovet med slät yta (figur 3). Den termiska diffusiviteten bestämdes på provkroppar med dimensionerna 12,7 mm i tjocklek och 1,96 mm i diameter vid rumstemperatur.
Resultat av mätning
Figurerna 4 och 5 visar mätningen på provet med borrhål. I figur 4 erhålls modellanpassningen av detektorns stigande signal (röd kurva) genom att använda standardmodellen av Cowan [2]. Den gröna cirkeln visar området med avvikelser mellan anpassningen och mätkurvan (blå). Med denna - uppenbarligen otillräckliga - modellanpassning beräknas den termiska diffusiviteten till 0,753 mm2/s. Beräkningen baserad på penetrationsmodellen ger en värmediffusivitet på 0,626 mm2/s, vilket är nästan 17% lägre (figur 5).
Figur 6 visar hur detektorsignalen stiger från mätningen på den ursprungliga fyllda polymerskivan med slät yta. Om man här använder Cowans standardmodell för bestämning av den termiska diffusiviteten får man nästan samma mätresultat som man fick med penetrationsmodellen för provkroppen med borrhål (figur 5). Avvikelsen uppgår till ca 3%. Detta bevisar att beräkningen av den termiska diffusiviteten baserad på penetrationsmodellen ger korrekta resultat.
Slutsats
Förutom de olika klassiska modellerna (t.ex. Cowan 5 /10, Parker, förbättrad Cape-Lehman, etc.) innehåller programvaran NETZSCH LFA Proteus® många olika beräkningsmodeller, korrigeringar och matematiska operationer. Penetrationsmodellen är särskilt lämplig för porösa material och material med en skrovlig yta. Denna specialfunktion i programvaran LFA Proteus® innebär att ljusblixten tränger in i provkroppen bortom den uppvärmda ytan. Den tar hänsyn till provkroppens porositet, som gör att en stor del av blixtenergin deponeras inuti provkroppen. Detta innebär att penetrationsmodellen tar hänsyn till absorptionen av pulsenergin över ett tunt lager i provkroppens tjocklek. Mätningar på prover av samma provkropp, men med mycket olika ytstrukturer (slät kontra porös), bekräftar att Penetration-modellen är korrekt.