Giriş
Mükemmel manyetik ve termofiziksel özellikleri nedeniyle saf demir, verimli ısı transferinin gerekli olduğu elektromanyetik bileşenlerde sıklıkla kullanılır. Örnekler arasında transformatör çekirdekleri, elektrik motorları, endüksiyon bobinleri ve hem manyetik hem de termal gerilimlerin meydana geldiği güç elektroniği bileşenleri yer alır. Bu nedenle, geniş bir sıcaklık aralığında termal özelliklerin hassas bir şekilde anlaşılması, bileşenlerin güvenilir bir şekilde tasarlanması ve gerçek dünya koşulları altında operasyonel davranışlarının doğru bir şekilde simüle edilmesi için gereklidir.
Isıl iletkenlik bilgisi, ısının bir malzeme içinde ne kadar verimli bir şekilde taşındığını önemli ölçüde belirlediği için çok önemlidir. Saf demir içeren uygulamalarda, özellikle elektromanyetik bileşenlerde, sıcaklık dağılımını, ısı dağılımını ve dolayısıyla bileşenlerin çalışma güvenliğini ve hizmet ömrünü doğrudan etkiler. Yetersiz ısı dağılımı yerel aşırı ısınmaya, verimliliğin azalmasına ve hatta arızaya yol açabilir. Bu nedenle, termal iletkenliğin tam olarak anlaşılması, endüstriyel sistemlerin termal tasarımı, optimizasyonu ve simülasyonu için gereklidir.
Yöntem ve Ölçüm Koşulları
Lazer flaş analizi (LFA, bkz. Şekil 1) öncelikle bir malzemenin termal difüzivitesini (α) belirlemek için kullanılır. YoğunlukKütle yoğunluğu, kütle ve hacim arasındaki oran olarak tanımlanır. Yoğunluk (ρ) ve özgül ısı kapasitesi (Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp) ile birleştirildiğinde, Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik (λ) hesaplanabilir (λ = α - Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp - ρ).
Ölçüm sırasında numunenin alt kısmı kısa bir lazer darbesi ile ısıtılır. Karşı tarafta ortaya çıkan sıcaklık artışı bir kızılötesi dedektör kullanılarak tespit edilir. Malzemenin termal difüzivitesi daha sonra zaman içindeki bu sıcaklık profiline ve ilgili matematiksel modellere dayanarak belirlenebilir.
Erimiş metaller için özel bir safir numune tutucu kullanılarak (bkz. Şekil 2), saf bir demir numunesinin termal difüzivitesi, katı halden sıvı hale geçerken LFA 707 StratoFlash®Classic ile sürekli olarak ölçülmüştür.
Özgül ısı kapasitesi (Özgül Isı Kapasitesi (cp)Isı kapasitesi, numuneye verilen ısı miktarının ortaya çıkan sıcaklık artışına bölünmesiyle belirlenen, malzemeye özgü fiziksel bir niceliktir. Özgül ısı kapasitesi, numunenin birim kütlesiyle ilişkilidir.cp), rodyum fırın ile donatılmış DSC 500 Pegasus® kullanılarak oda sıcaklığından 1600°C'ye kadar olan sıcaklık aralığında belirlenmiştir. Ölçüm koşulları Tablo 1'de ayrıntılı olarak verilmiştir.
Tablo 1: LFA ölçüm koşulları
| Sıcaklık aralığı | RT - 1600°C |
| Örnek tutucu | Erimiş metaller için safir |
| Örneklem büyüklüğü | Ø 1,39 mm; kalınlık ~ 1,4 mm; planparalel yüzeyler |
| Kaplama | Grafit |
| Özgül ısı kapasitesi | DSC 500 aracılığıyla Pegasus® |
| Atmosfer | Ar |
| Isıtma oranı | Değişken 10 ila 20 K/dak |
| Enerji | 650 V; 600 μs |
Sonuçlar ve Tartışma
Şekil 3, Curie geçişi (≈770°C) de dahil olmak üzere saf demirin tipik davranışını göstermektedir. Hem Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite (kırmızı eğri) hem de özgül ısı kapasitesi (siyah eğri) bu noktada sırasıyla yerel bir minimum ve maksimum ile belirgin değişiklikler sergiler. Böylece, Curie geçişi Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite ve özgül ısı kapasitesinde açıkça görülebilirken, Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik (mavi eğri) bu bölgede hiçbir etki göstermez. 1525°C'nin üzerindeki Erime Sıcaklıkları ve EntalpileriGizli ısı olarak da bilinen bir maddenin füzyon entalpisi, bir maddeyi katı halden sıvı hale dönüştürmek için gerekli olan enerji girdisinin, tipik olarak ısının bir ölçüsüdür. Bir maddenin erime noktası, katı (kristal) halden sıvı (izotropik eriyik) hale geçtiği sıcaklıktır. erime aralığında, kafes yapısı bozulduğu ve fononlar yoluyla ısı taşınımı artık gerçekleşmediği için Termal DifüziviteTermal difüzivite (mm2/s birimiyle a), kararsız ısı iletimini karakterize etmek için malzemeye özgü bir özelliktir. Bu değer, bir malzemenin sıcaklıktaki bir değişikliğe ne kadar hızlı tepki verdiğini açıklar.termal difüzivite ve Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik önemli ölçüde azalır.
Özet
Katıdan sıvıya: Özel bir safir numune tutucu ile donatılmış LFA 707 StratoFlash®Classic kullanılarak metaller eriyik haline kadar sürekli olarak karakterize edilebilir. Elde edilen veriler, sıcaklığa bağlı Termal İletkenlikTermal iletkenlik (W/(m-K) birimiyle λ), sıcaklık gradyanının bir sonucu olarak enerjinin - ısı şeklinde - kütleli bir cisim boyunca taşınmasını tanımlar (bkz. Şekil 1). Termodinamiğin ikinci yasasına göre, ısı her zaman düşük sıcaklık yönünde akar.termal iletkenlik davranışı hakkında değerli bilgiler sağlayarak, aşırı çalışma koşullarında bile simülasyon, malzeme seçimi ve bileşen optimizasyonu için güvenilir bir temel oluşturur.