Inledning
Sedan Parker et al. utvecklade laserblixtmetoden 1961 [1] har olika förbättringar gjorts av denna metod för beröringsfri, icke-destruktiv bestämning av den termiska diffusiviteten. Nuförtiden måste hårdvara och mjukvara möjliggöra mätningar på olika provgeometrier och -former. Det blev nödvändigt för laser/ljusblixtapparaten (LFA) att kunna testa inte bara fasta ämnen utan även pulverformiga, flytande, smulade och porösa prover. Av denna anledning måste vissa hårdvaruförutsättningar, t.ex. specifika provhållare, tillhandahållas. Dessutom blir mjukvarumodeller som tar hänsyn till påverkan av provkroppens form allt viktigare för den exakta bestämningen av 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).
Under de senaste åren har NETZSCH kontinuerligt förbättrat och utvecklat beräkningsmodeller, korrigeringar och matematiska operationer som tar hänsyn till värmeförlust i kombination med pulskorrigering, strålning, flerskiktssystem, tester i plan, baslinjekorrigeringar etc. I denna applikationsnot presenteras penetrationsmodellen baserad på McMasters [2] för mätningar på porösa material.
Porösa material är en utmaning - men inte för Penetrationsmodell
Vid standardmätningar med blixt 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 in i provkroppens tjocklek
- Absorptionsskikten kan hanteras som den genomsnittliga fria vägen i materialet
Om man tar hänsyn till dessa aspekter resulterar det i en exponentiellt avtagande initial temperaturfördelning i 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
En isolering av grafitfilt mättes mellan rumstemperatur och 90°C med NETZSCH LFA 427 och, för jämförelsens skull, med NETZSCH värmeflödesmätare HFM 436 Lambda. Provkropparnas tjocklek uppgick till 5,4 mm respektive 20 mm. Densiteten bestämdes till 0,082 g/cm3 vid 20°C.
Resultat av mätning
Figur 3 visar: a) LFA-mätresultaten som visar förloppet för den övervakade värmediffusiviteten baserat på penetrationsmodellen, b) litteraturdata för den specifika värmekapaciteten för POCO-grafit och c) den beräknade värmeledningsförmågan baserat på ekvationen:
med
λ = 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
α = värmediffusivitet
ρ = TäthetMassdensiteten definieras som förhållandet mellan massa och volym. densitet
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 = 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
LFA-mätningen utvärderades först med standardmodellen (Cowan, [3]) och en andra gång med Penetrationsmodellen. Figur 4 visar tydligt att samma mätning ger olika resultat för värmeledningsförmågan när man använder olika beräkningsmodeller. Frågan om vilket som är det bästa resultatet kan besvaras genom att kontrollera signalökningen (figur 5).
Figur 5 visar ökningen av detektorsignalen. Det vänstra diagrammet visar användningen av standardmodellen. Den visar tydligt att standardmodellen ger en otillräcklig modellanpassning. I det här fallet bestäms den termiska diffusiviteten till 0,753 mm2/s- ett för högt värde för det undersökta materialet. En utmärkt modellanpassning erhålls dock när man använder en anpassning baserad på penetrationsmodellen (högra diagrammet). Det resulterande värmediffusivitetsvärdet, a = 0,626 mm2/s, är cirka 17% lägre och, på grund av den förbättrade anpassningen, mycket mer tillförlitligt än det som uppnås med standard Cowan-modellen.
Den termiska konduktiviteten är proportionell mot den termiska diffusiviteten och därför är värdena högre även för standardmaterial. Tillförlitligheten hos de resultat som erhållits med penetrationsmodellen bekräftas av HFM-mätningar på samma material. LFA- och HFM-resultaten stämmer väl överens; den maximala avvikelsen är mindre än ±6% (figur 6).
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. En av dem är Penetration-modellen, som 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 faktiska uppvärmda ytan. Den tar hänsyn till provkroppens porositet, som gör att en del av ljusblixtens energi deponeras inuti provkroppen. Detta innebär att penetrationsmodellen tar hänsyn till absorptionen av pulsenergin över ett tunt lager i provkroppens tjocklek. Andra tillförlitliga metoder som värmeflödesmätare (HFM) bekräftar de LFA-resultat som erhålls genom att tillämpa penetrationsmodellen för beräkning av den termiska diffusiviteten/konduktiviteten.