Inledning
Neodymlegeringar är nyckelmaterial för moderna högpresterande tillämpningar. De används framför allt som grund för högpresterande permanentmagneter i elmotorer, generatorer, vindkraftverk, sensorer och hårddiskar. Förutom de magnetiska egenskaperna spelar även de termofysiska egenskaperna hos neodymlegeringar en avgörande roll. Vid höga effekttätheter och stigande driftstemperaturer har värmediffusionsförmågan, den specifika värmekapaciteten och värmeledningsförmågan ett betydande inflytande på materialets termiska beteende. Dessa egenskaper är avgörande för en effektiv värmehantering, för att undvika lokal överhettning och säkerställa långsiktig material- och funktionsstabilitet.
Kunskap om värmediffusionskoefficienten är särskilt viktig i detta sammanhang, eftersom den beskriver hur snabbt en temperaturförändring sprider sig inom materialet. I kombination med densiteten och den specifika värmekapaciteten kan värmeledningsförmågan härifrån bestämmas – en central parameter för konstruktion av termiskt belastade komponenter.
Metod och mätförhållanden
De termofysiska egenskaperna hos neodymlegeringen bestämdes med hjälp av LFA 717 HyperFlash® HT. Laserblinkanalys är en av de mest etablerade metoderna för att mäta 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 kännetecknas av hög precision och korta mättider. Under mätningen exciteras provets framsida av en kort energipuls, och den resulterande temperaturökningen på baksidan registreras utan kontakt med en infraröd detektor. Utifrån en matematisk kurvanpassning bestäms värmediffusionskoefficienten utifrån det uppmätta signalen.
Förutom värmediffusionskoefficienten bestämdes även den specifika värmekapaciteten med LFA enligt jämförelsemetoden. För detta ändamål användes en kopparreferens med kända termofysiska egenskaper. Utifrån värmediffusionskoefficienten, den specifika värmekapaciteten och densiteten beräknades sedan värmeledningsförmågan. De exakta mätförhållandena framgår av tabell 1.
Tabell 1: Mätförhållanden
| Material | Neodymlegering |
| Provhållare | Ø 8 mm, SiC |
| Temperaturprogram | Rumstemperatur till 800 °C; intervall om 50 K |
| Provets mått | Ø 8 mm, tjocklek: 2,8 mm |
| Beläggning | Grafit |
| Referens förSpecifik 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 | Ren koppar |
| Atmosfär | Argon |
| Uppvärmningshastighet | 10 K/min |
| Pulsenergi | 250 V / 600 μs |
Resultat och diskussion
Figur 1 visar värmediffusionskoefficienten, den specifika värmekapaciteten och värmeledningsförmågan hos den undersökta neodymlegeringen från rumstemperatur till 800 °C. När temperaturen stiger tenderar alla termofysiska egenskaper att öka. I intervallet mellan cirka 300 °C och 350 °C uppvisar dock den specifika värmekapaciteten ett tydligt maximum, medan värmediffusionskoefficienten samtidigt bildar ett lokalt minimum. Detta korrelerade beteende indikerar en övergång som är relaterad till legeringens Curie-omvandling.
Båda egenskaperna är känsliga för strukturella eller magnetiska förändringar i materialet och möjliggör en tydlig identifiering av det relevanta temperaturintervallet.
Den beräknade värmeledningsförmågan uppvisar dock ingen tydlig övergångstopp, utan ökar nästan kontinuerligt över hela mätområdet. Detta beteende beror på att de motsatta effekterna av den ökade specifika värmekapaciteten och den minskade värmediffusionsförmågan till stor del kompenserar varandra vid beräkningen av värmeledningsförmågan. Övergångens inverkan är därför betydligt mindre uttalad i värmeledningsförmågan än i de direkt uppmätta enskilda parametrarna.
Resultaten visar att genom en kombinerad bestämning av värmediffusionsförmågan och den specifika värmekapaciteten med hjälp av LFA kan materialens termofysiska beteende bedömas mer exakt. I synnerhet kan temperaturberoende avvikelser, såsom de som kan uppstå nära Curie-övergången, på ett tillförlitligt sätt detekteras och tolkas utifrån de enskilda parametrarna.
Sammanfattning
Den LFA 717 HyperFlash® HT möjliggör en exakt karakterisering av de termiska egenskaperna vid höga temperaturer, särskilt genom den beröringsfria laserflashmetoden för bestämning av värmediffusionskoefficienten. I kombination med referensprover och Density Determination kan även den specifika värmekapaciteten och värmeledningsförmågan bestämmas på ett tillförlitligt sätt.